CN102478679A - 电磁波分裂元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁波分裂元件，包括至少一个超材料片层，每个片层包括片状的非金属的基材、附着在基材上的多个人造微结构；人造微结构以一垂直于片状基材的平面为分界面被分为第一人造微结构和第二人造微结构；第一人造微结构/第二人造微结构有多个，且具有相同的折射率椭球，同时折射率椭球的非寻常光光轴相互平行；每个第一人造微结构和第二人造微结构均为非90度旋转对称结构，二者的折射率椭球的非寻常光光轴的夹角不为零或180度，且位于分界面法线的同一侧。采用本发明的电磁波分裂元件，可以在不改变电磁波传播方向的条件下实现将一束电磁波分裂成多束。

Description

电磁波分裂元件

技术领域

本发明涉及电磁波通讯领域，更具体地说，涉及一种电磁波分裂元件。

背景技术

超材料是一种新型材料，是由非金属材料制成的基材和附着在基材表面上或嵌入在基材内部的多个人造微结构构成的。人造微结构是组成一定几何图形的圆柱形或扁平状金属丝，例如组成圆环形、I形的金属丝等。每个人造微结构及其附着或占据的部分基材构成一个单元，整个超材料即是由数十万、百万甚至上亿的这样的单元组成的，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部分基材构成的单元。

由于人造微结构的存在，每个上述单元整体具有不同于基材本身的等效介电常数和等效磁导率，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形状，可改变其单元的等效介电常数和等效磁导率，进而改变整个超材料的响应特性。

对于一束入射的平行电磁波，当需要使其分裂而不改变其传播方向时，自然界的材料和现有的其他人造材料都不能实现这种功能，人们只能着眼于上述超材料来实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术不能实现电磁波不改变其传播方向的前提下分裂的缺陷，提供一种超材料制成的电磁波分裂元件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电磁波分裂元件，包括至少一个超材料片层，每个片层包括片状的非金属的基材、附着在所述基材上的多个人造微结构；所述人造微结构以一垂直于所述片状基材的平面为分界面被分为第一人造微结构和第二人造微结构；所述第一人造微结构/第二人造微结构有多个，且具有相同的折射率椭球，同时折射率椭球的非寻常光光轴相互平行；每个所述第一人造微结构和第二人造微结构均为非90度旋转对称结构，二者的折射率椭球的非寻常光光轴的夹角不为零或180度，且位于所述分界面法线的同一侧。

在本发明所述的电磁波分裂元件中，所述多个第一人造微结构/多个第二人造微结构具有相同的几何形状且相互平行地均匀排布，使得其折射率椭球相同且非寻常光光轴相互平行。

在本发明所述的电磁波分裂元件中，所述第一人造微结构和第二人造微结构以所述分界面为对称面对称。

在本发明所述的电磁波分裂元件中，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向一致。

在本发明所述的电磁波分裂元件中，所述电磁波分裂元件包括多个超材料片层，所述多个超材料片层沿垂直于所述超材料片层表面的方向堆叠为一体结构。

在本发明所述的电磁波分裂元件中，所述人造微结构为轴对称结构，其对称轴不垂直且不平行于所述分界面。

在本发明所述的电磁波分裂元件中，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或者椭圆形。

在本发明所述的电磁波分裂元件中，所述人造微结构为任意非对称结构。

实施本发明的电磁波分裂元件，具有以下有益效果：采用本发明，可以在不改变电磁波传播方向的条件下，将一束电磁波分裂成两束，扩大电磁波的传播范围。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的电磁波分裂元件的第一实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例的其中一个第二人造微结构的结构示意图；

图3是本发明第二实施例的人造微结构的结构示意图；

图4是本发明第三实施例的人造微结构的结构示意图；

图5是本发明第四实施例的人造微结构的结构示意图；

图6是本发明第五实施例的人造微结构的结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种电磁波分裂元件，可使一束入射的电磁波离开元件时分离成两束电磁波。

如图1所示，本发明的电磁波分裂元件由一个或多个厚度相同的超材料片层构成。每个超材料片层包括等厚片状的基材1，还包括附着在基材1前表面上或者嵌入在基材1内部中间的多个人造微结构2，人造微结构2包括第一人造微结构21和第二人造微结构22。

利用一垂直于基材1前表面的平面将基材1分成两部分，在第一部分上具有第一人造微结构21，在第二部分上具有第二人造微结构22，且第一人造微结构21和第二人造微结构22以该平面为分界面3对称分布。第一人造微结构21有多个，且具有完全相同的几何形状，并相互平行地均匀分布在基材1的第一部分表面上。第二人造微结构22也具有多个，数量与第一人造微结构21相同，并相互平行地均匀分布在基材1的第二部分表面上，且分别与各个第一人造微结构21一一对应地相对于分界面3对称。

这里的均匀分布是指，任一人造微结构2与其周围几个人造微结构2之间的间隔距离，和其他人造微结构2与其周围几个人造微结构2之间的间隔距离都是相同的，换句话说，也就是每个人造微结构2所占据的基材1部分是相同的。这里的相互平行是指，每个人造微结构2上任意两点的连线，与另一人造微结构2上相应两点的连线平行，或者说，每个人造微结构2通过在基材1上水平和竖直移动可最终与任意另一人造微结构2重合。

每个人造微结构2是由细而薄的金属丝组成的，这些金属丝在基材1前表面上或基材1内部组成一定的几何形状，与所附着占据的基材1部分一起构成一个超材料单元4，这个超材料单元4具有一个不同于附着基材1自身的等效介电常数和等效磁导率，可对电磁场产生不同的响应。因此，超材料片层也可看做是由多个这样的完全相同的超材料单元4无缝结合起来的，通过所有超材料单元4的共同响应，使整个元件实现对电磁波的分裂。

要使电磁波分裂，即使得两束电磁波均向远离分界面3的位置平移最终分裂，如图2所示。因此，对于分界面3任一侧的电磁波分裂元件部分，都必须具备使电磁波平移的条件。

出射电磁波相对于入射电磁波平移，需要具备两个条件，其一是分界面3任一侧的元件部分对电磁波呈各向异性。由于该元件部分是由规则排布的超材料片层组成的，片层的分布是均匀且平行的，而每个片层上的人造微结构2的分布也是均匀且平行的，因此，只要每个人造微结构2自身的结构为各向异性，则该元件部分就会呈现各向异性的特征；若人造微结构2为各向同性结构，则该元件部分体现出各向同性的特征。

对于平面结构的人造微结构2，这里的各向同性，是指对于在该二维平面上以任一角度入射的任一电磁波，上述人造微结构2在该平面上的电场响应和磁场响应均相同，也即介电常数和磁导率相同；对于三维结构的人造微结构2，各向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射的电磁波，每个上述人造微结构2在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。当人造微结构2为90度旋转对称结构时，人造微结构2即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构，90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该平面的旋转轴任意旋转90度后与原结构重合；对于三维结构，如果具有两两垂直且共交点的3条旋转轴，使得该结构绕任一旋转轴旋转90度后均与原结构重合或者与原结构以一分界面对称，则该结构为90度旋转对称结构。因此，要实现各向异性，则本发明的人造微结构2不能为90度旋转对称结构，即只能为非90度旋转对称结构。

电磁波平移的另一必要条件是分界面3任一侧的元件部分的光学主轴必然不垂直且不平行于所述分界面3。本实施例中，如图1、图2所示，电磁波平行于基材1前表面地入射到超材料片层的一侧边缘，多个超材料片层沿垂直于其前表面的方向堆叠粘合，使得多个侧边缘合并构成入射电磁波的入射表面。

同样，由于超材料片层均匀规则排布，每个人造微结构2也均匀且平行排列，因此，要使分界面3任一侧的元件部分的光学主轴不垂直且不平行于分界面3，也即每个超材料单元4的折射率椭球5的非寻常光光轴n_e(简称n_e轴)不垂直且不平行于所述入射表面。由于超材料单元4的基材选用的是普通非金属的天然材料，通常为各向同性的均质材料，因此，其折射率特征为圆球，对超材料单元4的折射率特征没有影响，故而只要人造微结构2的折射率椭球5的非寻常光光轴不垂直且不平行于所述入射表面即可。当基材不是普通的各向同性且均质的材料，则本文的折射率椭球均指人造微结构2和所附着的基材部分的折射率特性二者叠加所对应的折射率椭球，也即超材料单元4的折射率椭球5。

折射率椭球用来表示折射率特性，对于任一给定的超材料单元4，可通过现有技术的模拟仿真软件和计算方法算出来，例如参考文献Electromagneticparameter retrieval from inhomogeneous metamaterials，D.R.Smith，D.C.Vier，T.Koschny，C.M.Soukoulis，Physical Review E 71，036617(2005)。

对于图1所示实施例中的超材料单元4，其折射率椭球5的寻常光光轴n_e、非寻常光光轴n_o(简称n_o轴)如图2中所示。假定坐标原点在折射率椭球5的中心上，且以n_o轴为x轴，n_e轴为y轴，折射率椭球5上的任意一点用n_x，n_y表示，则当如图2所示的电磁波经过超材料单元4时，其用k_x，k_y表示的对应于此折射率椭球5的波传播椭球50有以下关系，即k_y□n_xω/c，k_x□n_yω/c，其中，ω为电磁波的角频率，c为光速，波传播椭球50与折射率椭球5共中心点，k_x，k_y是波传播椭球50上的点坐标。由公式可知，波传播椭球50与折射率椭球5为相似图形，且其长轴方向为折射率椭球5的短轴方向，而短轴方向为折射率椭球5的长轴方向。

电磁波经过超材料单元4后的偏折方向可通过波传播椭球50画出来。如图2所示，对于如图中所示方向入射的电磁波，与要出射的传播椭球50的面上一点相交，做此相交点关于波传播椭球50的切线，自相交点做的切线的法线方向即为电磁波的能量传播方向，因此电磁波在元件内部沿此方向传播。当电磁波离开元件时，所述法线延伸至与电磁波分裂元件的一表面也即出射面相交后，自出射面上的交点继续沿与入射方向平行的方向出射，此出射方向为电磁波相位传播方向。

由于分界面3两侧的第一人造微结构21和第二人造微结构22对称分布，因此，如图2所示，二者的折射率椭球5的非寻常光光轴分别相对于分界面3对称并成一定夹角，夹角由其中任意两个对称的第一人造微结构21和第二人造微结构22二者的非寻常光光轴分别延伸至分界面上构成。该夹角不为零或180度，且所述夹角自两非寻常光光轴相交的点向开口延伸的开口方向与入射电磁波的传播方向一致。

实现上述两个必备条件的人造微结构2有很多种可实现方式，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称。图2、图3、图4示出了其中三种轴对称的人造微结构2，图5、图6是非轴对称的人造微结构2的示意图。

如图2所示，人造微结构2为“工”字形。在本实施例中，“工”字形人造微结构2由两根相互平行且长度相等的第一金属丝60、两端分别连接两第一金属丝60且垂直平分第一金属丝60的第二金属丝61构成。第一人造微结构21的第二金属丝61相对于水平方向成135度，第二人造微结构22的第二金属丝61相对于水平方向成45度。每个人造微结构2的折射率椭球5如图2所示，其非寻常光光轴n_e与第二金属丝61的方向平行，整个电磁波分裂元件的分界面两侧部分的光学主轴相对分界面3对称并呈90度夹角。

图3示出的是人造微结构2为倾斜的“十”字形，包括垂直相交的水平金属丝70和竖直金属丝71，其中竖直金属丝71长度大于水平金属丝70，各个人造微结构2所处的超材料单元4的折射率椭球5如图所示，其椭球的长轴也即非寻常光光轴n_e分别与分界面3成一定夹角，分界面3两侧的各非寻常光光轴n_e也即两部分元件的光学主轴的方向。图4所示的人造微结构2为椭圆形。

如图5所示，人造微结构2呈不规则三角形，其超材料单元4的折射率椭球5的非寻常光光轴n_e也均不垂直于分界面3。同时，分界面3两侧的非寻常光光轴n_e相交成一夹角，且沿电磁波传播方向与夹角张开的方向一致。

图6示出的是一个不规则金属线所构成的人造微结构2，由于其细长的形状，使得具有各向异性，因此所具有的折射率特征也呈椭球形，相应的非寻常光光轴n_e与分界面3成一夹角，同样夹角张开方向与电磁波传播方向相同，使得入射的电磁波一部分向下偏折，另一部分向上偏折，从而实现分裂。

需要说明的是，由以上实施例可知，电磁波传播方向与分界面3两侧的非寻常光光轴n_e所形成的夹角的张开方向相同时，电磁波将实现分裂；显然的，若分界面3两侧的非寻常光光轴n_e所形成的夹角其张开方向与电磁波传播方向相反时，两侧的电磁波将分别偏向分界面3，甚至在出射时实现汇聚成一束电磁波。因此，这种情况也属于本发明保护范围之内。

另外，还需说明的是，人造微结构2并不仅限于本发明的实施例所列举的平面结构，也可以是三维结构，例如三条相互垂直、相交于一点但长度不相等的金属丝所构成的空间“米”字形等，任意不具有90度旋转对称特征的形状，均可作为本发明的人造微结构2的形状。

上述实施例中，对于第一人造微结构21来说，各个人造微结构2完全相同且平行均匀分布。但需要说明的是，本发明的电磁波分裂元件，要实现电磁波分裂，只需要第一人造微结构21的折射率椭球均完全相同，且各个折射率椭球的非寻常光光轴n_e相互平行即可。也就是说，各个第一人造微结构21可以不相同，只要通过调整和设计，使得其对应的折射率椭球相同且非寻常光光轴n_e相互平行即可。第二人造微结构22也是如此。当然，在设计和制造的过程中，采用相同的人造微结构2，有利于减少设计成本，缩短设计周期，且便于制造。

同时，上述实施例是以分界面3为对称面，第一人造微结构21和第二人造微结构22以分界面3对称，因此二者的非寻常光光轴n_e不为零或180度时必然位于分界面3的法线的同一侧。但是，本发明的电磁波分裂元件并不限定为分界面3为对称面，第一人造微结构21的n_e轴与分界面3的夹角可以不同于第二人造微结构22的n_e轴与分界面3的夹角。两个n_e轴延伸至与分界面3相交形成两个线段，自它们与分界面3的交点做垂直于分界面3的法线，只要两个线段均位于法线的同一侧，即可实现本发明的分裂电磁波的目的。

采用本发明的电磁波分裂元件，由于采用完全相同的多个超材料片层叠加而成，每个超材料片层具有相同的人造微结构2，因此加工和设计上非常简便，且通过叠加足够多的片层可制得足够大的尺寸，以满足各种极端应用条件的需求。每个人造微结构2设计成各向异性且其折射率椭球5的非寻常光光轴n_e方向与分界面3不垂直且不平行即可。

因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种电磁波分裂元件，其特征在于，包括至少一个超材料片层，每个片层包括片状的非金属的基材(1)、附着在所述基材(1)上的多个人造微结构(2)；

所述人造微结构(2)以一垂直于所述片状基材(1)的平面为分界面(3)被分为第一人造微结构(21)和第二人造微结构(22)；

所述第一人造微结构(21)/第二人造微结构(22)有多个，且具有相同的折射率椭球(5)，同时折射率椭球(5)的非寻常光光轴(n_e)相互平行；

每个所述第一人造微结构(21)和第二人造微结构(22)均为非90度旋转对称结构，二者的折射率椭球(5)的非寻常光光轴(n_e)的夹角不为零或180度，且位于所述分界面(3)法线的同一侧。

2.根据权利要求1所述的电磁波分裂元件，其特征在于，所述多个第一人造微结构(21)/多个第二人造微结构(22)具有相同的几何形状且相互平行地均匀排布，使得其折射率椭球(5)相同且非寻常光光轴(n_e)相互平行。

3.根据权利要求2所述的电磁波分裂元件，其特征在于，所述第一人造微结构(21)和第二人造微结构(22)以所述分界面(3)为对称面对称。

4.根据权利要求1所述的电磁波分裂元件，其特征在于，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向一致。

5.根据权利要求1所述的电磁波分裂元件，其特征在于，所述电磁波分裂元件包括多个超材料片层，所述多个超材料片层沿垂直于所述超材料片层表面的方向堆叠为一体结构。

6.根据权利要求1所述的电磁波分裂元件，其特征在于，所述人造微结构(2)为轴对称结构，其对称轴不垂直且不平行于所述分界面(3)。

7.根据权利要求6所述的电磁波分裂元件，其特征在于，所述人造微结构(2)为“工”字形、“十”字形或者椭圆形。

8.根据权利要求1所述的电磁波分裂元件，其特征在于，所述人造微结构(2)为任意非对称结构。

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