CN102480002A - 电磁波汇聚元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁波汇聚元件，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，每个基材划分为多个完全相同且阵列排布的立方体的基材单元，每个基材单元上附着有一个人造微结构，每行基材单元上的人造微结构具有相等的折射率椭球且折射率椭球相互平行；每列基材单元上的人造微结构具有相同的折射率椭球且折射率椭球的非寻常光光轴依次顺时针或逆时针旋转，且该列的最后一个非寻常光光轴相对于第一个非寻常光光轴的旋转角度不超过180度，使得每列的折射率椭球的非寻常光光均位于每行基材单元中心连线的法线的同一侧。采用本发明可以实现电磁波汇聚。

Description

电磁波汇聚元件

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汇聚元件。

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。

对于两束束入射的平行电磁波，当需要使其汇聚从而使得能量增强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汇聚的缺陷，提供一种超材料制成的电磁波汇聚元件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电磁波汇聚元件，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，每个基材划分为多个完全相同且阵列排布的立方体的基材单元，每个基材单元上附着有一个人造微结构，每行基材单元上的人造微结构具有相等的折射率椭球且折射率椭球相互平行；每列基材单元上的人造微结构具有相同的折射率椭球且折射率椭球的非寻常光光轴依次顺时针或逆时针旋转，且该列的最后一个非寻常光光轴相对于第一个非寻常光光轴的旋转角度不超过180度，使得每列的折射率椭球的非寻常光光均位于每行基材单元中心连线的法线的同一侧。

在本发明所述的电磁波汇聚元件中，所述人造微结构以平行于每行基材单元中心连线的平面为分界面被分为多个第一人造微结构和多个第二人造微结构，且二者的非寻常光光轴的延长线与所述分界面相交所形成的两个线段位于所述分界面的法线的同一侧。

在本发明所述的电磁波汇聚元件中，所述多个第一人造微结构与多个第二人造微结构以所述分界面为对称面一一对称。

在本发明所述的电磁波汇聚元件中，所述分界面所处的基材单元上的人造微结构其折射率椭球的非寻常光光轴垂直于所述分界面。

在本发明所述的电磁波汇聚元件中，所述人造微结构具有相同的几何形状和尺寸，使得其折射率椭球相等。

在本发明所述的电磁波汇聚元件中，所述第一、第二人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴延长至与所述分界面相交而形成一个夹角，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向相反。

在本发明所述的电磁波汇聚元件中，所述电磁波汇聚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汇聚元件中，所述人造微结构为轴对称结构。

在本发明所述的电磁波汇聚元件中，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汇聚元件中，所述人造微结构为任意非对称结构。

实施本发明的电磁波汇聚元件，具有以下有益效果：采用本发明的电磁波汇聚元件，可以实现不改变电磁波传播方向的前提下实现电磁波聚拢成一束，提高传播的单位能量。由于采用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，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。

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是本发明的电磁波汇聚元件的第一实施例的结构示意图；

图2是本发明第二实施例的人造微结构的结构示意图；

图3是本发明第三实施例的人造微结构的结构示意图；

图4是本发明第四实施例的人造微结构的结构示意图；

图5是本发明第五实施例的人造微结构的结构示意图；

图6是图1所示实施例的各个人造微结构对应的折射率椭球的结构示意图；

图7是图1所示实施例中的一对人造微结构对电磁波的偏折示意图；

图8是图1所示实施例的各个人造微结构对应的波传播椭球的结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种电磁波汇聚元件，可使两束入射的电磁波离开元件时汇聚成一束电磁波，从而提高电磁波的能量密度，有利于电磁波传播得更远。

如图1所示，本发明的电磁波汇聚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组装，或两两片层之间直接前、后表面相贴合地堆叠为一体结构。

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前表面上或者嵌入在基材1内部中间的多个人造微结构2。

这些人造微结构2之间均匀排布，也即，任一人造微结构2的中心点与其周围几个人造微结构2的中心点之间的间隔距离，和其他人造微结构2的中心点与其周围几个人造微结构2的中心点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。因此，本文的基材1划分为多个完全相同且阵列排布的立方体的基材单元，每个基材单元上或内部附着有一个人造微结构2，相当于每个人造微结构2占据一个相同的基材单元。每个基材单元及其上附着的人造微结构2共同构成一个超材料单元4。因此，超材料片层可以看做是多个超材料单元4以一个方向x为行、以垂直于x方向的y方向为列组成的阵列。

人造微结构2是由细而薄的金属丝组成的，并在基材1表面上或基材1内部组成一定的几何形状，可以对电磁场产生响应，使得对应的超材料单元4具有不同于基材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于基材1的响应。通过设计各个超材料单元4的等效介电常数和等效磁导率的分布，可以使整个元件实现对电磁波的汇聚。等效介电常数和等效磁导率对电磁波的影响，用折射率来表示。

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)。折射率椭球5的长轴方向为非寻常光光轴n_e，简称n_e轴，其短轴方向为寻常光光轴n_o，简称n_o轴。

本发明的所有超材料单元4均具有相等的折射率椭球5，即折射率椭球5的大小、形状完全相同。折射率椭球5相同，并不必然所有的人造微结构2均相同，可以通过设计使得不同的人造微结构2也具有相同的折射率椭球5；但是，人造微结构2相同，在基材单元相同的前提下，必然折射率椭球5相同。因此，本发明实施例中，为了方便设计和制造，均采用相同的人造微结构2来实现折射率椭球5相同。

由于超材料单元4的基材1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，基材1的折射率特征为圆球，对超材料单元4的折射率特征没有影响，故可以用人造微结构2的折射率椭球5来描述超材料单元4的折射率椭球5。当基材1不是普通的各向同性且均质的材料，则本文的折射率椭球5均指人造微结构2和所附着的基材单元的折射率特性二者叠加所对应的折射率椭球5，也即超材料单元4的折射率椭球5。如果人造微结构2也为各向同性，则与基材单元组成的超材料单元4也会为各项同性，使得其折射率特征描述为圆球。因此，人造微结构2必须为各向异性结构。

要使人造微结构2为各向异性，则各个人造微结构2必须为非90度旋转对称结构。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平面对称，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，包括轴对称结构和非轴对称结构。

例如，图1所示的“工”字形人造微结构，包括第一金属丝和垂直连接在第一金属丝两端的第二金属丝。本实施例的人造微结构为非90度旋转对称结构，具有各向异性特征。其折射率椭球5的非寻常光光轴n_e与第一金属丝的方向平行。

图2所示的“十”字形人造微结构，由垂直相交的水平金属丝202和竖直金属丝201构成，当二者不等长时，图2所示人造微结构为各向异性。其折射率椭球5的长轴也即非寻常光光轴n_e与竖直金属丝所在方向平行。

图3所示人造微结构2为“工”字形人造微结构的衍生，包括两根垂直相交的第一金属丝204和分别垂直连接在每个第一金属丝204两端的第二金属丝203。只要两根第一金属丝不等长或者四根第二金属丝不等长，整个结构极为各向异性结构。

图4所示人造微结构2是“工”字形人造微结构的进一步衍生，包括三根两两正交垂直的第一金属丝206和分别连接在每个第一金属丝206两端的第二金属丝205。同样，只要第一金属丝长度不相等或者第二金属丝长度不相等，该结构极为各向异性结构。

图5所示人造微结构2为任意三角形，也可以是其他任意多边形、椭圆形、曲线图形等。本发明的人造微结构2也可以是其他任意立体图形，例如图4所示的立体结构，也可以是三棱锥线条、椭圆环等，只要是非90度旋转对称结构都可以使得所对应的人造微结构2及其超材料单元4对电磁波呈现各向异性的特征。

要实现本发明的汇聚电磁波功能，在各个超材料单元4各向异性的前提下，每一行超材料单元4的折射率椭球5相互平行，而每一列超材料单元4自该列的第一个至最后一个，其折射率椭球5依次顺时针或逆时针旋转，如图2所示，本发明所示的第一实施例为顺时针旋转。

以x方向为0度方向，折射率椭球5的非寻常光光轴n_e与0度线的夹角在0至90度范围内的人造微结构2为第一人造微结构21，其非寻常光光轴n_e与同一0度线的夹角在270至360度范围内的为第二人造微结构22。二者的临界线所在的且垂直于基材1表面的平面为它们的分界面。该分界面可以是两行超材料单元4的交界面，也能是其中一行超材料单元4中心点连线所在的平面。本发明中，优选第一、第二人造微结构以分界面为对称面一一对称，可实现对应的折射率椭球5沿y方向依次旋转的同时，简化设计过程。在所有人造微结构2的结构形状都相同以实现折射率椭球5相同的条件下，通过旋转人造微结构2相对于0度方向的角度，即可实现折射率椭球5的相应旋转，如图1、图7所示。

对于一束入射电磁波，已知折射率椭球5，可以推知电磁波对应于该折射率椭球5的波传播椭球50。如图6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，椭球上的任意一点用n_X，n_Y表示，则当如图6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。

任意一束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6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。此法线延伸至与电磁波汇聚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的非寻常光主轴分别相对于分界面3对称并成一定夹角。入射电磁波的一部分电磁波经过第一人造微结构21后向下偏折，而另一部分电磁波经过第二人造微结构22从而向上偏折，两部分电磁波在元件内部相互靠近实现汇聚，并在离开元件时保持与入射方向平行。

对于各个第一人造微结构21，沿y方向的每一列人造微结构由于依次顺时针旋转，如图3所示，自分界面向上的每列人造微结构的非寻常光光轴n_e与分界面的夹角依次为θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，且有如下关系式：90°≥θ1≥θ2≥θ3≥θ4≥θ5。因此下一个折射率椭球5会使电磁波在经过上一个折射率椭球5发生向下偏折的基础上再进一步向下偏折，在离开元件以前将发生多次偏折，使得到离开元件时出射位置相对于入射位置有较大的平移。越靠近分界面入射的电磁波，平移量越小，越远离分界面入射的电磁波，平移量越大。

要实现汇聚，每一列人造微结构2自第一个到最后一个总的旋转角度不超过180度，也即每列第一人造微结构21的旋转角度不超过90度，使得每两两对称的第一人造微结构和第二人造微结构22二者的折射率椭球5的非寻常光光轴n_e延长至分界面所形成的线段，均位于分界面法线的同一侧，同时所有的第一人造微结构的非寻常光周延长至分界面与分界面的夹角都在0度到90度之间。这样也可保证所有第一人造微结构均使电磁波向下靠近分界面，第二人造微结构22也均向上靠近分界面，最终实现汇聚。

离分界面最近的一行第一人造微结构和一行第二人造微结构22之间的夹角最大，甚至可以为180度，使得分界面上的人造微结构的折射率椭球5垂直于分界面，此处对电磁波的传播方向不影响。

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反时，电磁波将实现汇聚；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一致时，两侧的电磁波将向远离分界面3的方向偏折，在出射时实现分离。因此，这种情况也属于本发明保护范围之内。

采用本发明的电磁波汇聚元件，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 (10)

1.一种电磁波汇聚元件，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，每个基材划分为多个完全相同且阵列排布的立方体的基材单元，每个基材单元上附着有一个人造微结构，其特征在于，

每行基材单元上的人造微结构具有相等的折射率椭球且折射率椭球相互平行；

每列基材单元上的人造微结构具有相同的折射率椭球且折射率椭球的非寻常光光轴依次顺时针或逆时针旋转，且该列的最后一个非寻常光光轴相对于第一个非寻常光光轴的旋转角度不超过180度，使得每列的折射率椭球的非寻常光光均位于每行基材单元中心连线的法线的同一侧。

2.根据权利要求1所述的电磁波汇聚元件，其特征在于，所述人造微结构以平行于每行基材单元中心连线的平面为分界面被分为多个第一人造微结构和多个第二人造微结构，且二者的非寻常光光轴的延长线与所述分界面相交所形成的两个线段位于所述分界面的法线的同一侧。

3.根据权利要求2所述的电磁波汇聚元件，其特征在于，所述多个第一人造微结构与多个第二人造微结构以所述分界面为对称面一一对称。

4.根据权利要求1所述的电磁波汇聚元件，其特征在于，所述分界面所处的基材单元上的人造微结构其折射率椭球的非寻常光光轴垂直于所述分界面。

5.根据权利要求1所述的电磁波汇聚元件，其特征在于，所述人造微结构具有相同的几何形状和尺寸，使得其折射率椭球相等。

6.根据权利要求1所述的电磁波汇聚元件，其特征在于，所述第一、第二人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴延长至与所述分界面相交而形成一个夹角，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向相反。

7.根据权利要求1所述的电磁波汇聚元件，其特征在于，所述电磁波汇聚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。

8.根据权利要求1所述的电磁波汇聚元件，其特征在于，所述人造微结构为轴对称结构。

9.根据权利要求8所述的电磁波汇聚元件，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或者椭圆形。

10.根据权利要求1所述的电磁波汇聚元件，其特征在于，所述人造微结构为任意非对称结构。

Images