CN102751577B - 基于超材料的反射器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种基于超材料的反射器，包括：具有发散电磁波功能的超材料和设置在所述超材料一侧表面上的反射层。该超材料存在一区域，该区域内的超材料的介电常数ε与磁导率μ的乘积最小，区域外的超材料的介电常数ε与磁导率μ的乘积从两侧向该区域方向连续减小。该反射器根据改变折射率在超材料中的分布，可达到改变电磁波的传播路径的目的，本发明的反射器制造工艺简单、成本较低且具有较高的精确度。

Description

基于超材料的反射器

技术领域

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种基于超材料的反射器。

背景技术

目前使用的反射器是抛物面形状，为了制造抛物反射面通常利用模具铸造成型或者采用数控机床进行加工的方法。第一种方法的加工工艺比较复杂，成本高，而且抛物面的形状要比较准确才能实现电磁波的定向传播，所以对加工精度的要求也比较高。第二种方法采用大型数控机床进行抛物面的加工，这种方法加工比较精确，但是制造这种大型数控机床比较困难，而且成本比较高。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于超材料的反射器，其制造工艺简单、成本较低且具有较高的精确度。

为解决上述技术问题，提供了一种基于超材料的反射器，包括：具有发散电磁波功能的超材料和设置在所述超材料一侧表面上的反射层。

进一步地，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和多个附着在所述基板上的人造微结构，所述超材料存在一区域，该区域内的超材料的介电常数ε与磁导率μ的乘积最小，所述区域外的超材料的介电常数ε与磁导率μ的乘积从两侧向该区域方向连续减小。

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的方向堆叠形成。

进一步地，每个所述人造微结构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，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

进一步地，所述基板由高分子聚合物、陶瓷材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

进一步地，所述人造微结构呈“工”形，包括第一金属丝和分别连接在第一金属丝两端且垂直于所述第一金属丝的第二金属丝。

进一步地，所述人造微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属丝、分别连接在每个第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝。

进一步地，所述反射层由金属材料制成。

上述技术方案至少具有如下有益效果：本发明的基于超材料的反射器通过改变折射率在超材料中的分布，可达到改变电磁波的传播路径的目的，其制造工艺简单、成本较低且具有较高的精确度。

附图说明

图1是超材料对电磁波发散特性的示意图。

图2是本发明的基于超材料的反射器的原理示意图。

图3是图2所示的超材料的第一实施例的结构示意图。

图4是图3所示的超材料的主视图。

图5是由图4所示人造微结构衍生的第二实施例的示意图。

图6是由图5所示人造微结构衍生的第三实施例的示意图。

图7是本发明所采用的超材料的第四实施例的主视图。

具体实施方式

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。

超材料是一种以人造微结构2为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括人造微结构2和供人造微结构附着的基板1。人造微结构2为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构，多个人造微结构2在基板1上阵列排布，每个人造微结构2以及其所附着的基板1所占部分即为一个单元格。基板1可为任何与人造微结构2不同的材料，这两种材料的叠加使每个单元格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单元格的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构2的特征所决定，而人造微结构2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人造微结构2的图案和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置。

图1所示为超材料对电磁波发散特性的示意图，图示中的具有发散功能的超材料10存在一个区域，该区域内的超材料10的介电常数ε与磁导率μ的乘积最小，该区域外的超材料10的介电常数ε与磁导率μ的乘积从两侧向该区域方向连续减小。当一束平行电磁波入射到具有上述电磁参数分布的超材料10时，电磁波通过超材料10折射后发散射出。

如图2所示本发明的基于超材料的反射器，包括：图1所示的具有发散电磁波功能的超材料10和设置在超材料10一侧表面上的反射层20。反射层20是具有良好反射特性的反射面，比如金属反射面等。当一束电磁波入射到本发明的反射器上时，入射的电磁波经过具有发散电磁波特性的超材料10并向折射率大的地方偏折，再经过反射层20反射，最后又经过超材料10折射并进一步向折射率大的地方偏折，反射出的电磁波为图2所示的发散出射的电磁波。

本发明的反射器所采用的超材料10包括至少一个超材料片层3，超材料片层3包括基板1和多个附着在基板1上的人造微结构2。实验证明，电磁波通过超材料10的偏折角与超材料10的厚度和折射率变化率有关，因此通过合理设计超材料10的每个超材料片层3的折射率分布以及超材料片层3的数量，就可以实现电磁波的各种出射效果，例如：使射入的平行电磁波发散射出。进一步的，电磁波的折射率与成正比关系，所以只要改变介电常数与磁导率中的至少一个，就可以改变折射率。通常，通过改变介电常数来改变折射率，因为具有电场响应的人造微结构结构简单，例如“工”字形、“H”形等。

为了实现使电磁波发散的目的，本实施例中超材料10存在一区域4，该区域4内的超材料10的介电常数ε与磁导率μ的乘积最小，该区域4外的超材料10的介电常数ε与磁导率μ的乘积从两侧向该区域方向连续减小。即本发明所采用的超材料10的区域4内的折射率最小，该区域4外的超材料10的折射率从两侧向该区域4连续减小，当平行入射的电磁波经过该超材料10时，电磁波向折射率大的区域偏折，即电磁波向超材料10两侧偏折，再经过反射层20反射后，电磁波再次经过超材料10进一步向超材料10的两侧偏折，经过上述过程平行入射的电磁波发散射出。

图3和图4分别是本发明的基于超材料的反射器所采用的超材料10的第一实施例的结构示意图和主视图。在本实施例中超材料10由多个相同的介电常数非均匀分布的超材料片层3沿垂直于超材料片层3表面方向堆叠形成。每个超材料片层3包括片状的基板1和附着在基板1上的多个人造微结构2。本实施例中的人造微结构2呈“工”字形，包括第一金属丝201和分别连接在第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202。人造微结构2阵列分布在基板1上。实验证明，相同图案的人造微结构2，其几何尺寸与介电常数成正比，因此在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计人造微结构2的图案和不同尺寸的人造微结构2在超材料片层上的排布，就可以制成具有上述折射率分布规律的超材料10。如图4所示超材料10的区域4内“工”字形人造微结构2的尺寸最小，该区域4外“工”字形人造微结构2的尺寸从两侧向该区域方向连续减小。通过合理设计超材料10中的“工”字形人造微结构2的尺寸分布，即可实现平行电磁波的发散反射。

图5所示实施例是图4所示实施例中的人造微结构2的衍生，其人造微结构2不仅包括构成“工”字形的第一金属丝201和第二金属丝202，还包括分别连接在第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。

图6所示实施例则是图5的人造微结构2的进一步衍生，其人造微结构2在图5的基础上还包括分别连接在第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。依此类推，本发明的对电场响应的人造微结构2还有无穷多个。第二金属丝202的长度小于第一金属丝201，第三金属丝203的长度小于第二金属丝202，第四金属丝204的长度小于第三金属丝203，依此类推。

图7为本发明的所采用的超材料10的第四实施例的主视图。在图7所示实施例中除了人造微结构2的几何形状与图4所示实施例不同之外，人造微结构2的排布规律等均与之相同。图7所示实施例中人造微结构2为“雪花”形结构，包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属丝201、分别连接在每个第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202。人造微结构2也可采用“王”字形，“H”形等其他轴对称结构。

应当理解，本发明实施例所采用的超材料10除了采用对称结构的人造微结构2之外，也可采用不等边三角形、平行四边形或不规则闭合曲线等其他非对称结构的人造微结构2。只要超材料10存在一个区域4，该区域4内的超材料10的介电常数ε与磁导率μ的乘积最小，区域4外的超材料10的介电常数ε与磁导率μ的乘积从两侧向该区域4方向连续减小。通过合理设计超材料10上的人造微结构2的几何尺寸分布就可实现电磁波的发散反射。

具体实施时，人造微结构2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2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2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2。基板1由由高分子聚合物、陶瓷材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

本发明的基于超材料的反射器采用具有发散功能的超材料代替具有发散功能的发射镜，通过合理设计超材料上的人造微结构的图案和不同几何尺寸的人造微结构的分布规律，就可实现平行电磁波的发散反射。该反射器制造工艺简单、成本较低且具有较高的精确度。

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 (8)

1.一种基于超材料的反射器，其特征在于，包括：具有发散电磁波功能的超材料和设置在所述超材料一侧表面上的金属反射层，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和多个附着在所述基板上的人造微结构；每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

2.如权利要求1所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述超材料存在一区域，该区域内的超材料的介电常数ε与磁导率μ的乘积最小，所述区域外的超材料的介电常数ε与磁导率μ的乘积从两侧向该区域方向连续减小。

3.如权利要求2所述的基于超材料的反射器，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的方向堆叠形成。

4.如权利要求1所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。

5.如权利要求1所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

6.如权利要求2或3所述的基于超材料的反射器，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2或3所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述人造微结构呈“工”形，包括第一金属丝和分别连接在第一金属丝两端且垂直于所述第一金属丝的第二金属丝。

8.如权利要求2或3所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述人造微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属丝、分别连接在每个第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝。