CN102751579A - 分离电磁波束的超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种分离电磁波束的超材料，该超材料的基板上附着有两种人造微结构。其中第一人造微结构的光学主轴方向与第一电场方向平行，第二人造微结构的光学主轴方向与第二电场方向平行。超材料包括第一区域和第二区域，第一区域内第一人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第一人造微结构的几何尺寸向第一区域方向连续增大，第二区域内第二人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第二人造微结构的几何尺寸向第二区域方向连续增大。本发明的超材料根据人造微结构对电场的响应与其结构有关的原理以及非均匀超材料偏折电磁波的原理，可使入射电磁波分离、可灵活控制分离后电磁波束的出射角度并且可实现大面积电磁波束的分离。

Description

分离电磁波束的超材料
技术领域
本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种分离波束的超材料。
背景技术
超材料是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成的。人造微结构是至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。每个人造微结构及其附着的部分基板构成一个超材料单元，整个超材料即是由数十万、百万甚至上亿的这样的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的，每个晶格即相当于上述的人造微结构及基板构成的超材料单元。
由于人造微结构的存在，每个上述单元整体具有一个等效的介电常数和磁导率，因此所有的单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性；同时，对人造微结构设计不同的具体结构和尺寸，可改变其单元的介电常数和磁导率，进而改变整个超材料的响应特性。
现有技术中，要实现分离电磁波束，需要使用某些单轴晶体，如方解石、石英等，由于这些晶体大都是天然的，对电磁波的响应特性也是固定的所以无法灵活控制分离的电磁波束的出射角度，应用范围较窄、不够灵活。而且天然晶体的尺寸有限，人工制造晶体通常也很难做得很大，如果将多个制得的晶体拼接或粘合从而制成较大的晶体，其结合面或粘合面上的折射和反射，会影电磁波束分离的效果。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种分离波束的超材料，可灵活控制电磁波束的出射角度、可实现大面积电磁波束的分离。
为解决上述技术问题，提供了一种分离电磁波束的超材料，用于将具有正交电场的两种入射电磁波分离，所述超材料包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括基板、阵列设置在所述基板上的第一人造微结构和第二人造微结构，每个第一人造微结构的光学主轴方向与第一电场方向平行，每个第二人造微结构的光学主轴方向与第二电场方向平行，所述超材料包括第一区域和第二区域，在所述第一区域内的第一人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第一人造微结构的几何尺寸向第一区域方向连续增大，在所述第二区域内的第二人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第二人造微结构的几何尺寸向第二区域方向连续增大。
进一步地，所述第一人造微结构和第二人造微结构分别阵列设置在所述基板的两相对表面上。
进一步地，所述超材料由多个介电常数非均匀分布的超材料片层沿垂直于所述片层表面方向堆叠成为一体。
进一步地，每个所述第一人造微结构和第二人造微结构均为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。
进一步地，所述金属丝为铜丝或银丝。
进一步地，所述基板由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
进一步地，所述第一人造微结构和第二人造微结构为非90度旋转轴对称结构。
进一步地，所述第一人造微结构为“工”字形或“王”字形。
进一步地，所述第二人造微结构为“H”形。
进一步地，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。
上述技术方案至少具有如下有益效果：本发明的超材料根据人造微结构对电场的响应与其结构有关的原理以及非均匀超材料偏折电磁波的原理，可使入射电磁波分离、可灵活控制分离后电磁波束的出射角度并且可实现大面积电磁波束的分离。
附图说明
图1是本发明实施例的分离波束的超材料的第一实施例的结构示意图。
图2是本发明的第二实施例的超材料单元的结构示意图。
图3是由多个图2所示超材料单元阵列构成的分离波束的超材料的结构示意图。
图4是图3所示的分离波束的超材料的正视图。
图5是图3所示的分离波束的超材料的后视图。
图6是本发明实施例的分离波束的超材料的应用示意图。
具体实施方式
本发明的分离电磁波束的超材料10用于将具有正交电场的两种入射电磁波分离，如图1所示为该超材料10的第一实施例的结构示意图。超材料10包括至少一个超材料片层3，这些超材料片层3之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相接触堆叠成一体。每个超材料片层3进一步包括前后表面平行的片状基板1、阵列设置在基板1上的第一人造微结构21和第二人造微结构22。
第一人造微结构21和第二人造微结构22为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构，第一人造微结构21和第二人造微结构22分别与其所附着的基板1所占部分一起构成一个超材料单元4。基板1可为任何与第一人造微结构21和第二人造微结构22不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元4产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元4的电场响应与磁场响应，因此可对电磁场产生不同的响应。
要使具有正交电场的两种电磁波分离，必须具备两个条件，其一是超材料10附着有分别对两种电场具有响应的人造微结构。人造微结构对电场有响应，则要求人造微结构的光学主轴方向与电场方向平行，即人造微结构的在电场方向上必须有投影且投影不是点，是具有长度的一线段。例如当电场为竖直方向时，若人造微结构为水平方向上的一条平直金属丝，则该人造微结构在竖直方向上的投影不是一具有长度的线段，因而不能对电场产生响应；若人造微结构为竖直方向上的金属丝，则该人造微结构能对电场产生响应。
本实施例中超材料10所附着的每个第一人造微结构21的光学主轴方向为竖直方向与竖直的第一电场方向平行，每个第二人造微结构22的光学主轴方向为水平方向与水平的第二电场方向平行。所以第一人造微结构21对第一电场有响应，第二人造微结构22对第二电场有响应。
使具有正交电场的两种电磁波分离的另一必要条件是超材料10可以使射入的两种电磁波向不同方向偏折。当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，电磁波的折射率与成正比关系，因而通过改变介电常数ε和/或磁导率μ在材料中的分布，就可达到改变电磁波的传播路径的目的。
超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个第一人造微结构21和第二人造微结构22的图案和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数，进而实现入射的具有正交电场的两种电磁波分离。
满足上述两个必备条件的第一人造微结构21和第二人造微结构22有很多种可实现方式。图1所示的第一人造微结构21和第二人造微结构22为非90度旋转轴对称结构。第一人造微结构21为“工”字形，包括竖直的第一金属丝和分别连接在第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝，第一金属丝的长度为L1，第二金属丝的长度为L2且满足L1＞＞L2，第一人造微结构21的光学主轴与竖直的第一电场方向平行，所以对竖直方向的电场有响应。第二人造微结构为“H”形，包括水平的第三金属丝和分别连接在第三金属丝两端且垂直于第三金属丝的第四金属丝，第三金属丝的长度为L3，第四金属丝的长度为L4且满足L3＞＞L4，第二人造微结构22的光学主轴与水平的第二电场方向平行，所以对水平方向的电场有响应。
如图1所示超材料10包括第一区域5和第二区域6，在第一区域5内的第一人造微结构21的几何尺寸最大，其他各处的第一人造微结构21的几何尺寸向第一区域5方向连续增大。在第二区域6内的第二人造微结构22的几何尺寸最大，其他各处的第二人造微结构22的几何尺寸向第二区域6方向连续增大。当一束具有正交电场的两种电磁波经过该超材料10时，第一人造微结构21对竖直电场具有响应，具有竖直电场方向的电磁波向第一区域5方向偏折出射；第二人造微结构22对水平电场具有响应，具有水平电场方向的电磁波向第二区域6方向偏折出射，进而实现了两种电磁波的分离。通过不同尺寸大小的第一人造微结构21和第二人造微结构22的不同排布可实现不同的出射效果。
图3是本发明的超材料10的第二实施例的结构示意图，本实施例中超材料10由多个超材料单元4阵列形成，图2所示为该超材料10的超材料单元4的一实施例的示意图。在本实施例中第一人造微结构21和第二人造微结构22分别阵列设置在基板1的两相对侧表面上。在图3所示实施例中除了第一人造微结构21和第二人造微结构22分别设置在相对侧面上与图1所示实施例中第一人造微结构21和第二人造微结构22设置在基板1同一侧面上这一点不同之外，第一人造微结构21和第二人造微结构22的排布规律等均与之相同。图4和图5分别是图3所示的超材料10的正视图和后视图。本实施例中超材料10包括第一区域5和第二区域6，在第一区域5内的第一人造微结构21的几何尺寸最大，其他各处的第一人造微结构21的几何尺寸向第一区域5方向连续增大。在第二区域6内的第二人造微结构22的几何尺寸最大，其他各处的第二人造微结构22的几何尺寸向第二区域6方向连续增大。当一束具有正交电场的两种电磁波经过该超材料10时，第一人造微结构21对竖直电场具有响应，具有竖直电场方向的电磁波向第一区域5方向偏折出射；第二人造微结构22对水平电场具有响应，具有水平电场方向的电磁波向第二区域6方向偏折出射，进而实现了两种电磁波的分离。通过不同尺寸大小的第一人造微结构21和第二人造微结构22的不同排布可实现不同的出射效果。
具体实施时，人造微结构由至少一根铜丝或者银丝等金属丝构成，具有特定图形。金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等多种方法附着在基板1上。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基板1上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构。基板1由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得，高分子材料可采用聚四氟乙烯、Fr4或F4b等。
图6所示为本发明的分离波束的超材料的应用示意图。本发明的超材料10通过在基板1上设置分别对两正交电场具有响应的两种人造微结构，并通过对第一人造微结构21和第二人造微结构22的排布进行设计，可实现两种电磁波的不同出射效果，进而实现两种电磁波束的分离。
以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种分离电磁波束的超材料，用于将具有正交电场的两种入射电磁波分离，其特征在于，所述超材料包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括基板、阵列设置在所述基板上的第一人造微结构和第二人造微结构，每个第一人造微结构的光学主轴方向与第一电场方向平行，每个第二人造微结构的光学主轴方向与第二电场方向平行，所述超材料包括第一区域和第二区域，在所述第一区域内的第一人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第一人造微结构的几何尺寸向第一区域方向连续增大，在所述第二区域内的第二人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第二人造微结构的几何尺寸向第二区域方向连续增大。
2.如权利要求1所述的分离电磁波束的超材料，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构分别阵列设置在所述基板的两相对表面上。
3.如权利要求1或2所述的分离电磁波束的超材料，其特征在于，所述超材料由多个介电常数非均匀分布的超材料片层沿垂直于所述片层表面方向堆叠成为一体。
4.如权利要求1所述的分离电磁波束的超材料，其特征在于，每个所述第一人造微结构和第二人造微结构均为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。
5.如权利要求4所述的分离电磁波束的超材料，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。
6.如权利要求1或2所述的分离电磁波束的超材料，其特征在于，所述基板由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
7.如权利要求1所述的分离电磁波束的超材料，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构为非90度旋转轴对称结构。
8.如权利要求7所述的分离电磁波束的超材料，其特征在于，所述第一人造微结构为“工”字形或“王”字形。
9.如权利要求7所述的分离电磁波束的超材料，其特征在于，所述第二人造微结构为“H”形。
10.如权利要求4所述的分离电磁波束的超材料，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。
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