CN102480058A - 一种基于超材料的去极化器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超材料的去极化器，所述去极化器包括多个相互平行的片层，每一片层具有一片状基板以及附着在片状基板上的多个人造微结构，每一片状基板分成多个相同的单元体，每一单元体与其上的人造微结构组成一个电磁特性呈各向异性的单元格，每一片层中至少具有两个光轴不平行的单元格。根据本发明的基于超材料的去极化器，在每一超材料片层中设置至少两个光轴不平行的单元格，使得单一极化特性的电磁波经过超材料后，至少部分电磁波的极化特性发生改变，从而实现去极化的目的，并且相比于现有技术，具有结构简单、易于实现的优点。

Description

一种基于超材料的去极化器
技术领域
本发明属于超材料领域，具体地涉及一种基于超材料的去极化器。
背景技术
电磁波的极化是指空间某固定位置场矢量(电场、磁场)随时间变化的特性。通常用电场强度E矢量末端随时间变化的轨迹来描述波的极化。由电磁波电场分量两个正交分量间的幅度和相位关系可以判断波的极化方式。如果一个周期内，E矢量仅在一个方向振动，这就称为线极化波；如果E矢量的端点轨迹是一个椭圆(或圆)，这就称为椭圆(或圆)极化波。
在一些应用场合(例如电磁屏蔽)，需要去极化，现有技术中，通常利用光学上的双折射特性来实现去极化。但是这种技术比较复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种结构简单的基于超材料的去极化器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述去极化器包括多个相互平行的片层，每一片层具有一片状基板以及附着在片状基板上的多个人造微结构，每一片状基板分成多个相同的单元体，每一单元体与其上的人造微结构组成一个电磁特性呈各向异性的单元格，每一片层中至少具有两个光轴不平行的单元格。
进一步地，所述每一片层的所有单元格的光轴均不平行。
进一步地，所述人造微结构为金属微结构，所述每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线，所述金属线的图案为一非90度旋转对称图形。
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片状基板上。
进一步地，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线。
进一步地，所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。
进一步地，所述人造微结构呈I形。
进一步地，所述片状基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
根据本发明的基于超材料的去极化器，在每一超材料片层中设置至少两个光轴不平行的单元格，使得单一极化特性的电磁波经过超材料后，至少部分电磁波的极化特性发生改变，从而实现去极化的目的，并且相比于现有技术，具有结构简单、易于实现的优点。
附图说明
图1是本发明所提供的去极化器第一实施例中其片层上的光轴的分布示意图；
图2是图1所示的光轴分布图所对应的一种形式的去极化器采用I形人造微结构的排布示意图；
图3是本发明所提供的去极化器第二实施例中其片层上的光轴的分布示意图；
图4是图3所示的光轴分布图所对应的一种形式的去极化器采用I形人造微结构的排布示意图；
图5是本发明所提供的去极化器第三实施例中其片层上的光轴的分布示意图；
图6是图5所示的光轴分布图所对应的一种形式的去极化器采用I形人造微结构的排布示意图；
图7为二维雪花状的金属微结构的示意图；
图8所示为片层的堆叠示意图。
具体实施方式
“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。
“超材料″具有的三个重要特征：
(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；
(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；
(3)“超材料″性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。
本发明利用超材料来构建基于超材料的去极化器。具体如下：
如图1至8所示，根据本发明的基于超材料的去极化器10包括多个相互平行的片层20，每一片层具有一片状基板11以及附着在片状基板上的多个人造微结构2，每一片状基板11分成多个相同的单元体100(图1中的虚线所示的方块)，每一单元体100与其上的人造微结构2组成一个电磁特性呈各向异性的单元格200，每一片层20中至少具有两个光轴不平行的单元格200。此处的光轴是指每一单元格的折射率椭球30的长轴，此处的折射率椭球30指的是每一单元格的折射率的空间分布；光轴不平行的两个单元格，在单一极化特性的入射电磁波通过后，其电场矢量在平行与光轴和垂直于光轴分解的两个正交分量，受到的影响不一样(相位差不再同步变化)，这样电磁波离开这两个单元格后，相应地极化特性不再同步，这样即达到了去极化的目的，即至少部分电磁波的极化特性不一样了，例如，入射电磁波为水平极化波，出射电磁波的一部分变成了垂直极化波，另一部分则变成了圆极化波。
第一实施例
如图1所示，本实施例中，只有一个单元格其光轴ne1不同于其它处，ne2表示其它单元格的光轴，从图中可以看出，ne1与ne2不平行。图2所示为采用I形结构的人造微结构来实现图1所示的光轴平面分布。本实施例中，单一极化特性的电磁波通过所有单元格后，通过光轴为ne1的单元格的部分电磁波的极化特性将与其它不同。图1只是本实施例一个片层的平面示意图，其它片层可以与图1所示的片层具有相同的光轴分布，也可以不同，只要满足出射电磁波部分发生极化特性改变即可。图8所示为片层的堆叠示意图。
第二实施例
如图3所示，本实施例中，光轴ne1发生了旋转的部位处于超材料的左上角和右下角，ne2表示其它光轴，ne1与ne2不平行。图4所示为采用I形结构的人造微结构来实现图3所示的光轴平面分布。本实施例中，单一极化特性的电磁波通过所有单元格后，通过光轴为ne1的单元格的部分电磁波的极化特性将与其它不同。同样地，图3只是本实施例一个片层的平面示意图，其它片层可以与图3所示的片层具有相同的光轴分布，也可以不同，只要满足出射电磁波部分发生极化特性改变即可。图8所示为片层的堆叠示意图。
第三实施例
如图5所示，本实施例中，如图3所示，本实施例中，同一片层上的所有单元格的折射率椭球的光轴均不平行。图6所示为采用I形结构的人造微结构来实现图5所示的光轴平面分布。当入射的电磁波通过第一个片层时，在不同单元格，其电场均可以在单元格的折射率椭球内分解为两个互相垂直的电场分量(一个与光轴平行，一个与光轴垂直)。通过将本发明的去极化器设计成每一单元格都是各向异性的，并且保证不同位置的单元格其折射率椭球的光轴取向不相同，从而使得单一特性的极化波电场矢量分解后的两个正交分量(一个在与光轴平等，一个与光轴垂直)幅度大小不会相同，并且相位差也不相同，从而其极化特性被削弱。每一片层均可以将前一片层的电磁波进行再次弱极化，从而经过多个片层后，极化电磁波就转化为非极化波或部分极化波，整体来看，此时出射的电磁波的电矢量振动方向就会变成杂乱无章的，从而达到了去极化的目的。同样地，图5只是本实施例一个片层的平面示意图，其它片层可以与图5所示的片层具有相同的光轴分布，也可以不同，只要满足出射电磁波部分发生极化特性改变即可。图8所示为片层的堆叠示意图。
本发明中，所述人造微结构2为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板11上的金属线。所述金属线的图案为一非90度旋转对称图形，非90度旋转对称图形是90度旋转对称的相对概念，所谓90度旋转对称是指，一图形沿其对称中心向任意方向旋转90度后都与原图形重合，具有此图形的金属微结构构成的单元格表现出各向同性(即单元格空间内的电磁参数每点都相同)。反之，具有非90度旋转对称的图形的金属微结构构成的单元格则表现为各向异性(即单元格空间内并不是每点的电磁参数张量均相同)。当然在某些情况下，还有二维的各向同性的概念，即单元格的某一平面的电磁参数具有各向同性，电磁波从这个面入射时，具有相同的电磁参数。金属微结构构成的单元格若表现为各向异性，则会影响通过其中的电磁波的电场矢量，使得电磁波通过每一个单元格时，所述两个正交分量都会受到影响，只是由于人造微结构具有各向异性的电磁特性，两个正交分量受到的影响不一样，即两个正交分量的振动会有快有慢，因此两个正交分量产生了相位差的变化，而在电磁波离开超材料转换器时，其经过了多个单元格，相位差得到累加，若最终相位差Δθ不等于入射前的相位差，则两个正交分量的合成后的电场矢量(出射电磁波的电场矢量)将相对于入射前发生了极化特性的改变，实现极化转换。但是，如果每一单元格的光轴均不平行，则单一极化特性的电磁波所受的影响并不同步，出射时，电磁波的极化特性将变的散乱无章，实现了去极化。
上述三个实施例采用的是I形的金属微结构。I形为非旋转90度对称图形，具有此图形的金属微结构构成的单元格表现为各向异性。因此通过旋转I形图案的金属微结构可以实现光轴的旋转。I形为比较容易得到的金属微结构图形，加工相当简单。
当然，金属微结构还可以是如图7的二维雪花状的金属微结构，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，所述第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线24。所述第一主线21及第二主线22相互平分，所述两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，所述两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。图中只是示意，实际上第一主线、第二主线、第一支线及第二支线都是有宽度的。当然为了满足单元格的各向异性，上述的二维雪花状的金属微结构必须是非90度旋转对称图形(二维的)。
本发明中，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片状基板11上。当然，还可以采用三维的激光加工工艺。所述金属线为铜线或银线，铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。
本发明的所述片状基板11可以由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。上述的高分子材料可以是聚四氟乙烯。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属微结构附着的基材是很好的选择。当然，上述的高分子材料也可是FR-4、F4b等复合材料。
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)

1.一种基于超材料的去极化器，其特征在于，所述去极化器包括多个相互平行的片层，每一片层具有一片状基板以及附着在片状基板上的多个人造微结构，每一片状基板分成多个相同的单元体，每一单元体与其上的人造微结构组成一个电磁特性呈各向异性的单元格，每一片层中至少具有两个光轴不平行的单元格。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的去极化器，其特征在于，所述每一片层的所有单元格的光轴均不平行。
3.根据权利要求1所述的基于超材料的去极化器，其特征在于，所述人造微结构为金属微结构，所述每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线，所述金属线的图案为一非90度旋转对称图形。
4.根据权利要求3所述的基于超材料的去极化器，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片状基板上。
5.根据权利要求3所述的基于超材料的去极化器，其特征在于，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线。
6.根据权利要求5所述的基于超材料的去极化器，其特征在于，所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。
7.根据权利要求3所述的基于超材料的去极化器，其特征在于，所述人造微结构呈I形。
8.根据权利要求1所述的基于超材料的去极化器，其特征在于，所述片状基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
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