CN102479996B - 电磁波平移元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁波平移元件，包括至少一个超材料片层，每个片层包括片状的基材(1)和附着在所述基材(1)上的多个人造微结构(2)；每个所述人造微结构(2)为非90度旋转对称结构，使得整个所述电磁波平移元件呈各向异性；每个人造微结构(2)的折射率椭球(5)完全相同，且各个折射率椭球(5)的非寻常光光轴(n_e)相互平行，各个非寻常光轴(n_e)均不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向，从而使得所述电磁波平移元件的光学主轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向。采用本发明，即可实现在不改变电磁波传播方向的前提下实现电磁波的平移。

Description

电磁波平移元件

技术领域

本发明涉及电磁通讯领域，更具体地说，涉及一种利用超材料制成的电磁波平移元件。

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材构成的超材料单元。

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形状，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。

对于现有的材料，要实现电磁波的平移，需要使用均质的各向异性材料例如石英等晶体，由于这些晶体大都是天然的，天然晶体的尺寸有限，而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，会影响整体对电磁波的平移效果。因此，对于大面积的接收电磁波并实现电磁波平移的元件，人们只能着眼于采用超材料来实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的各向异性晶体其尺寸大小受限、不能获得大面积接收并平移电磁波的缺陷，提供一种超材料制成的电磁波平移元件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电磁波平移元件，包括至少一个超材料片层，每个片层包括片状的基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的具有几何图案的平面或立体结构；每个所述人造微结构为非90度旋转对称结构，使得整个所述电磁波平移元件呈各向异性；每个人造微结构的折射率椭球完全相同，且各个折射率椭球的的非寻常光光轴相互平行，各个非寻常光光轴均不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向，从而使得所述电磁波平移元件的光学主轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向，所述折射率椭球的非寻常光光轴为折射率椭球的长轴方向。

在本发明所述的电磁波平移元件中，所述多个人造微结构均相同且相互平行地均匀排布在所述基材上，使得其折射率椭球大小相同且非寻常光光轴相互平行。

在本发明所述的电磁波平移元件中，所述电磁波平移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从而成为一体。

在本发明所述的电磁波平移元件中，所述人造微结构为轴对称结构。

在本发明所述的电磁波平移元件中，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或椭圆形。

在本发明所述的电磁波平移元件中，所述人造微结构为非对称结构。

在本发明所述的电磁波平移元件中，所述人造微结构为任意三角形、四边形或不规则闭合曲线。

实施本发明的电磁波平移元件，具有以下有益效果：由于采用完全相同的多个超材料片层叠加而成，每个超材料片层可以设计相同的人造微结构，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。每个人造微结构设计成各向异性且其折射率椭球的非寻常光光轴n_e方向与需要响应的入射电磁波方向不垂直且不平行即可。

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是本发明的电磁波平移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人造微结构的主视图；

图3是本发明第二实施例的主视图；

图4是本发明第三实施例的主视图；

图5是本发明第四实施例的主视图；

图6是本发明第五实施例的主视图；

图7是本发明第六实施例的超材料单元的结构示意图；

图8是由图7所示超材料单元阵列构成的超材料片层的结构示意图；

图9是由多个图8所示超材料片层堆叠构成的电磁波平移元件的结构示意图。

图中各标号对应的名称为：

1基材，2人造微结构，4超材料单元，5折射率椭球，n_e非寻常光光轴，n_o寻常光光轴，60第一金属丝，61第二金属丝，70水平金属丝，71数值金属丝，80长金属丝，81短金属丝。

具体实施方式

本发明涉及一种电磁波平移元件，可使电磁波相对于入射方向平移一段距离。

如图1所示，本发明的电磁波平移元件由一个或多个厚度相同的超材料片层构成，这些超材料片层之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相粘合地连接成一体。每个超材料片层包括前后表面平行从而成等厚片状的基材1，还包括附着在基材1前表面上或嵌在每片基材1内部的多个阵列排布的人造微结构2。

这些人造微结构2均匀分布在基材1表面上。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体积是相同的。

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具有不同于附着基材1的等效介电常数和等效磁导率，因此可对电磁场产生不同的响应。超材料片层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平移。

要使电磁波平移，必须具备两个条件，其一是元件整体对电磁波呈均质且各向异性。由于整个元件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的分布也是均匀的，因此，只要每个人造微结构2自身的结构为各向异性，则元件整体就会对电磁波呈现各向异性的特征；若人造微结构2为各向同性结构，则元件整体对电磁波体现出各向同性的特征。要实现元件对电磁波来说是均质的，即要求每个人造微结构2对电磁波的响应是相同的，也即每个人造微结构2对电磁波的折射率椭球5是相同的，也即每个折射率椭球5形状相同，大小相等。

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对称面对称，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。

电磁波平移的另一必要条件是整个元件的光学主轴必然不平行且不垂直于入射电磁波的传播方向。本实施例中，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也均匀排列，因此，要使整个元件的光学主轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向，本实施例中，必须使每个超材料单元4的折射率椭球5的非寻常光光轴n_e相互平行，且每个非寻常光光轴n_e均不垂直且不平行于所述入射表面，与折射率椭球5的非寻常光光轴n_e平行的方向即为该元件的光学主轴方向。

非寻常光光轴n_e为折射率椭球5的长轴方向，寻常光光轴n_o为其短轴方向。由于超材料单元4的基材选用的是普通天然材料，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 E71,036617(2005)。

综上所述，要实现平移，必须使每个人造微结构2具有相同的折射率椭球5，且每个折射率椭球5的非寻常光光轴n_e相互平行同时均不垂直且不平行于电磁波入射方向。这里的每个人造微结构2可以相同，也可以不同，均可通过设计来实现。为了便于制造，本发明的优选实施例中，各个人造微结构2完全相同，且相互均匀且平行地排布，调整元件使得各折射率椭球5的非寻常光光轴n_e不垂直且不平行于入射方向，即可满足上述条件，实现平移。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，与另一个人造微结构2上相应两点的连线平行，或者说，每个人造微结构2都可通过水平和竖直移动最终与任意另一人造微结构2重合。

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_o、非寻常光光轴n_e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，与要出射的波传播椭球50的面上一点相交，做此相交点关于波传播椭球50的切线，自切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平移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。

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，对于平面结构的人造微结构2，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构，其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。图2、图3、图4示出了其中三种轴对称且非90度对称的平面人造微结构2，图5和图6是非轴对称的平面人造微结构2，图7至图9为三维结构的人造微结构2的示意图。

平面的人造微结构2均附着在片状基材1的表面上。如图2所示，其人造微结构2呈“工”字形，包括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。所有人造微结构2按照正方形阵列排布，且第二金属丝61相对于水平或竖直阵列方向的倾斜角为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，整个电磁波平移元件的光学主轴即为与非寻常光光轴n_e平行的方向。

图3所示的电磁波平移元件，除了人造微结构2的几何形状与图1、图2所示实施例不同之外，其他均与之相同，图4至图6也类同。图3所示实施例的人造微结构2呈“十”字形，具有垂直相交且互相平分的水平金属丝70和竖直金属丝71，二者长度不相等，且均不垂直也不平行于水平方向。各人造微结构2的折射率椭球5如图所示，其非寻常光光轴n_e、寻常光光轴n_o分别于竖直金属线、水平金属线重合，因此，对于水平入射的电磁波，非寻常光光轴n_e也即此电磁波平移元件的光学主轴不垂直切不平行于电磁波入射方向。

如图4所示的人造微结构2呈椭圆形闭合线圈，且椭圆形的长轴和短轴均不平行且不垂直于水平方向，也即电磁波入射方向，因此各个折射率椭球5的非寻常光光轴n_e也不平行且不垂直于电磁波的入射方向，电磁波经过该电磁波平移元件时发生偏折，并从与入射表面平行的另一面以水平方向射出。

图5、图6所示的人造微结构2为任意三角形和闭合的不规则曲线，同样也可为其他任意非正方形的四边形、五边形、不闭合的不规则曲线等等，只要满足每个人造微结构2的折射率椭球5的非寻常光光轴n_e不与电磁波入射方向垂直或平行，即可实现本发明的电磁波平移目的。

图7、图8示出的是三维结构的人造微结构2所构成的超材料单元和由多个超材料单元阵列构成的超材料片层，每个三维的人造微结构2均匀、平行地阵列排布在片状基材1内部，多个图8所示的片状基材1堆叠从而构成一个整体的电磁波平移元件，如图9所示，图示箭头方向为电磁波入射方向。

本实施例的人造微结构2包括相交于一点且两两垂直的三根长金属丝80和分别接在每个长金属丝80两端且与该长金属丝80垂直的六根短金属丝81，由于该人造微结构2非90度旋转对称结构，因此，具有各向异性的特征，导致整个电磁波平移元件对电磁波呈各向异性，其非寻常光光轴n_e在三维空间内与电磁波入射方向也是不垂直且不平行的，因此能够实现电磁波的平移。

采用本发明的电磁波平移元件，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方向与需要响应的入射电磁波方向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 (7)

1.一种电磁波平移元件，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基材（1）和附着在所述基材（1）上的多个人造微结构（2），每个所述人造微结构（2）为由至少一根金属丝组成的具有几何图案的平面或立体结构；

每个所述人造微结构（2）为非90度旋转对称结构，使得整个所述电磁波平移元件呈各向异性；每个人造微结构（2）的折射率椭球（5）完全相同，且各个折射率椭球（5）的非寻常光光轴（n_e）相互平行，各个非寻常光光轴（n_e）均不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向，从而使得所述电磁波平移元件的光学主轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向，所述折射率椭球（5）的非寻常光光轴（n_e）为折射率椭球（5）的长轴方向。

2.根据权利要求1所述的电磁波平移元件，其特征在于，所述多个人造微结构（2）均相同且相互平行地均匀排布在所述基材（1）上，使得其折射率椭球（5）大小相同且非寻常光光轴（n_e）相互平行。

3.根据权利要求1所述的电磁波平移元件，其特征在于，所述电磁波平移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成为一体。

4.根据权利要求1所述的电磁波平移元件，其特征在于，所述人造微结构（2）为轴对称结构。

5.根据权利要求4所述的电磁波平移元件，其特征在于，所述人造微结构（2）为“工”字形、“十”字形或椭圆环形。

6.根据权利要求1所述的电磁波平移元件，其特征在于，所述人造微结构（2）为非轴对称结构。

7.根据权利要求6所述的电磁波平移元件，其特征在于，所述人造微结构（2）为任意三角形、非正方形的四边形或不规则闭合曲线。

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