CN102768375A - 一种光子晶体材料及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光子晶体材料及其设计方法，该光子晶体材料包括周期性排列的片状介电材料A及片状人工合成材料B，其中，所述片状介电材料A的折射率n_A及所述片状人工合成材料B的折射率n_B均大于零，而所述光子晶体材料的折射率n_T小于零。片状人工合成材料B包括附着基材以及附着于附着基材上的人造微结构，通过调节所述人造微结构的形状来调节所述片状人工合成材料B的介电常数ε_B以及磁导率μ_B。片状介电材料A与所述片状人工合成材料B交替排列形成的光子晶体中，介电常数ε的大小呈周期性交替变化为ε_A-ε_Bs，从而使得所述光子晶体材料对于特定频率的电磁波呈负折射率。

Description

一种光子晶体材料及其设计方法

【技术领域】

本发明涉及一种光子晶体，尤其涉及一种对于特定频率的电磁波呈负折射率的光子晶体及其设计方法。

【背景技术】

光子晶体即光子禁带材料，是由两种或两种以上的电介质材料周期性排列而成的人造材料，排列周期为波长量级，具有光电带隙，可以控制电磁波在其中的传播，在一定条件下它也可以表现出负折射率的现象。

负折射率材料首先由俄国人菲斯拉格在1967提出，该材料的一个显著特征在于折射系数是负数，电磁波在其中的能量传播方向与它的波矢(相位传播方向)相反。这种材料具有负的折射系数的原因在于它的介电常数和磁导率都是负数。这与我们过去所熟悉的通常介质有所不同，在通常介质中，介电常数和磁导率都是正数，折射率也是正数。

2000年，Smith等人将金属丝版和SRR(Split Ring Resonators，开口谐振器)板有规律地排列在一起，制作了世界上第一块介电常数和等效磁导率同时为负数的介质。2004年，美国研究人员通过圆柱形铜柱形成的周期性结构实现负折射率。但上述实现负折射率的光子晶体中，构成光子晶体周期性排列的材料都呈负折射率。

【发明内容】

本发明提供一种光子晶体材料，在该光子晶体材料中，构成该光子晶体而周期性排列的材料都呈正折射率，在该光子晶体呈负折射率。在该光子晶体材料中，该光子晶体材料包括周期性交替排列的片状介电材料A及片状人工合成材料B，片状介电材料A的折射率n_A及片状人工合成材料B的折射率n_B均大于零，光子晶体材料的折射率n_T小于零。

在本发明的一种优选的实施方式中，片状人工合成材料B包括多个人造微结构以及附着基材，多个人造微结构的几何形状、尺寸以及多个人造微结构在附着基材上的分布影响片状人工合成材料B的介电常数ε_B以及磁导率μ_B。

在本发明的一种优选的实施方式中，多个人造微结构响应于电磁波而在其内部积累电势差，使得多个人造微结构与片状介电材料A的接合处的介电常数大于片状介电材料A及片状人工合成材料B的介电常数ε_A及ε_B，使得片状人工合成材料B的等效介电常数ε_Bs大于ε_B。

在本发明的一种优选的实施方式中，在片状介电材料A与片状人工合成材料B周期性交替排列形成的光子晶体中，介电常数ε的大小呈周期性交替变化ε_A-ε_Bs。

在本发明的一种优选的实施方式中，片状介电材料A及片状人工合成材料B为介电绝缘材料，片状介电材料A的介电常数ε_A小于片状人工合成材料B的介电常数ε_B。

在本发明的一种优选的实施方式中，片状介电材料A为陶瓷，其厚度为1mm。

在本发明的一种优选的实施方式中，片状人工合成材料B包括“I”字型的多个人造微结构以及由FR4形成的附着基材，片状人工合成材料B的厚度为1mm。，光子晶体材料对于一定频带的电磁波呈负折射率。

在本发明的一种优选的实施方式中，片状人工合成材料B包括由两个相互垂直的“I”字型组合成的多个人造微结构以及由FR4形成的附着基材，片状人工合成材料B的厚度为小于1mm。，光子晶体材料对于一定频带的电磁波呈负折射率。

本发明还公开了一种设计对于特定频率f0呈负折射率的光子晶体材料的方法，该光子晶体材料包括周期性交替排列的片状介电材料A及片状人工合成材料B，其中该方法包括以下步骤：

步骤S1，预设定光子晶体材料对特定频率f0呈负折射率；

步骤S2，选定片状介电材料A的材料及厚度；

步骤S3，确定片状人工合成材料B的目标介电常数以及目标磁导率ε₀及μ₀；

步骤S4，设计片状人工合成材料B，使得片状人工合成材料B的介电常数以及磁导率分别为ε₀及μ₀。

在本发明的一种优选的实施方式中，片状人工合成材料B包括多个人造微结构以及附着基材，在步骤S3包括以下步骤：

步骤S31，选定片状人工合成材料B的所述基材；

步骤S32，选定片状人工合成材料B的所述人造微结构2的材质；

步骤S33，设计人造微结构2的几何形状及尺寸，使得片状人工合成材料B的介电常数以及磁导率为ε₀及μ₀。

本发明利用折射率均大于零的材料，形成了整体呈现负折射率的光子晶体。本发明来提供了一种设计对于特定频率f0呈负折射率的光子晶体材料的方法。以此方法形成的呈负折射率的光子晶体材料，该方法简单，容易实现，并且可以根据需要具体调整该光子晶体对于哪个频率范围的电磁呈现负折射率，为进一步利用呈负折射率的光子晶体材料提供了可能。

【附图说明】

图1是本发明的光子晶体材料的结构；

图2示出了图1的光子晶体材料中，片状人工合成材料B的一种具体结构；

图3示出了在有电磁波通过该光子晶体是，在片状人工合成材料B的人造微结构内部积累电势差的情况；

图4示出了图1的光子晶体材料中，片状人工合成材料B的另一种具体结构；

图5具体公开了根据本发明设计对于特定频率f0呈负折射率的光子晶体材料的方法；

图6中具体公开了步骤S3中设计片状人工合成材料B使得其介电常数ε_A及磁导率μ_A分别为ε₀及μ₀的具体方法。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明的光子晶体材料的结构。

参考图1，在图1中该光子晶体材料包括周期性排列的片状介电材料A及片状人工合成材料B。S表示片状介电材料A及片状人工合成材料B的接触面。在本发明的实施方式中，片状介电材料A为介电绝缘材料，其介电常数ε_A大于零但小于片状人工合成材料B的介电常数ε_B。片状介电材料A的折射率n_A及片状人工合成材料B的折射率n_B均大于零，而光子晶体材料的折射率n_T小于零。

在本实施例中，片状介电材料A为高介电绝缘材料，其介电常数ε_A及磁导率μ_A均大于零，而片状介电材料A的折射率n_A也大于零。

参考图2，图2示出了本发明中使用的片状人工合成材料B的结构。在图2中，本发明的片状人工合成材料B包括介电绝缘体制成的基材1和附着在基材1上的多个人造微结构2，这些人造微结构2以阵列方式相互间隔地排布在基材1上。每个人造微结构2以及其所附着的基材1部分构成一个“结构单元”3，整个超材料即可认为是由无数个这样的“结构单元”3阵列排布而成的。通过调节多个人造微结构2的几何形状、尺寸以及该多个人造微结构2在附着基材1上的分布来调节片状人工合成材料B的介电常数ε_B以及磁导率μ_B，使得该状人工合成材料B得介电常数ε_B以及磁导率μ_B均大于零，进而使得该状人工合成材料B得折射率n_B也大于零。

由图2可见，人造微结构2为“工”字形结构，包括第一金属丝201及分别连接在第一金属丝201两端且垂直于该第一金属丝201的第二金属丝202。由于该人造微结构2由金属制成，因而由现有技术可知，该人造微结构2的介电常数ε₂小于零，而其磁导率μ₂大于零。并且，由于基材1由介电绝缘材料制成，由现有技术可知介电绝缘材料的介电常数及磁导率均大于零，因而该基材1的介电常数ε₁以及磁导率μ₁均大于零。而由人造微结构2以及其所附着的基材1部分构成的结构单元3的等效介电常数ε₃以及等效磁导率μ₃与人造微结构2以及其所附着的基材1各自的介电常数以及磁导率相关。具体而言，由于基材1及人造微结构2的磁导率均大于零，因而结构单元3的等效磁导率μ₃大于零。又因为，基材1的介电常数ε₁大于零，而人造微结构2的介电常数ε₂小于零，因而结构单元3的等效介电常数ε₃可能大于零也可能小于零。然而，可以通过调整人造微结构2的几何形状、尺寸来调整人造微结构2的介电常数的大小，使得结构单元3的等效介电常数ε₃大于零。从而使得结构单元3的等效介电常数ε₃及等效磁导率μ₃均大于零，进而使得片状人工合成材料B的介电常数ε_B及磁导率μ_B均大于零，也即使得人工合成材料B的折射率n_B大于零。

由上述说明可知，在本发明中，片状介电材料A及片状人工合成材料B的折射率均大于零，下面说明根据本发明的光子晶体。

同时参考图1及图2，由图1可知，片状介电材料A与片状人工合成材料B接合，并且在片状介电材料A与片状人工合成材料B上的多个人造微结构2的接合处形成接合面S。当有电场通过时，响应于电场，将在多个人造微结构2内部积累电势差，如图3所示，使得片状介电材料A与片状人工合成材料B的多个人造微结构2所形成的接合面S等效于一超高介电绝缘材料，使得该接合面S的介电常数ε_s大于片状介电材料A及片状人工合成材料B的介电常数ε_A及ε_B，ε_s＝mε_B，m在1-10之间。从而使得片状人工合成材料B的等效介电常数ε_Bs大于片状人工合成材料B的介电常数ε_B。因而，在片状介电材料A与片状人工合成材料B交替排列形成的光子晶体中，介电常数ε的大小呈周期性交替变化为ε_A-ε_Bs。由现有技术可知，对于介电常数ε的大小呈周期性交替变化的材料，该材料对于特定频率的电磁波呈负折射率。因而，根据本发明的光子晶体材料对于特定频带的电磁波呈负折射率。通过设计光子晶体材料中片状介电材料A及片状人工合成材料B的介电常数及厚度，也可以使的光子晶体对于不同频带的电磁波呈负折射率。

参考图1及图2，在本发明的一个实施方式中，片状介电材料A为陶瓷，其厚度为1mm，片状人工合成材料B包括呈“I”字型的多个人造微结构2以及由FR4形成的附着基材1，且呈“I”字型多个的人造微结构2相互间隔且均匀地分布在附着基材1上，其中片状人工合成材料B的厚度为1mm。附着基材1为FR4，其厚度为小于1mm，人造微结构2包括由铜制成的第一金属丝201及分别连接在第一金属丝201两端且垂直于该第一金属丝201的第二金属丝202。由人造微结构2以及其所附着的基材1部分构成的结构单元3的尺寸为入射电磁波的波长的十分之一。

当有电磁波入射到本实施方式所述的光子晶体中时，在呈“I”字型的多个人造微结构2内部积累电势差，使得由陶瓷形成的片状介电材料A与呈“I”字型的多个人造微结构2的接合面S等效于一超高介电绝缘材料，从而使得该接合面S的介电常数ε_s大于片状介电材料A及片状人工合成材料B的介电常数ε_A及ε_B，其中ε_s＝mε_B，m在1-10之间，优选为5。进而使得片状人工合成材料B的等效介电常数ε_Bs大于片状人工合成材料B的介电常数ε_B，其中ε_Bs＝pε_B，p小于m，且p在1-5之间，优选为3。因而，在片状介电材料A与片状人工合成材料B交替排列形成的光子晶体中，介电常数ε的大小呈周期性交替变化为ε_A-ε_Bs，进而使得光子晶体材料对于特定频带的电磁波呈负折射率。

在本实施方式中，多个人造微结构2的几何形状、尺寸以及该多个人造微结构2在附着基材1上的分布均相同，也即使得由人造微结构2以及其所附着的基材1部分构成的多个结构单元3的等效介电常数ε₃以及等效磁导率μ₃均相同，进而使得片状人工合成材料B上各处的介电常数ε_B及磁导率μ_B均相同。然而在本发明的其他实施方式中，多个人造微结构2的几何形状、尺寸或该多个人造微结构2在附着基材1上的分布也可以不相同，只要满足片状人工合成材料B上各处的介电常数ε_B及磁导率μ_B均大于零，即可达到本发明的目的。也即，只要片状人工合成材料B上每个结构单元3的等效介电常数ε₃及等效磁导率μ₃均大于零即可，而不要求任意两个结构单元3的等效介电常数ε₃及等效磁导率μ₃相同。因而，在本发明的其他实施方式中，可以任意调整多个人造微结构2的几何形状、尺寸或该多个人造微结构2在附着基材1上的分布，只要满足结构单元3的等效介电常数ε₃及等效磁导率μ₃均大于零即可。

例如在图4所示的另一个实施方式中，调整了多个人造微结构2的几何形状。在图4所示的实施方式中，人造微结构2有两个相互垂直的“I”字型构成。该人造微结构2金属丝包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属丝201及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。。在本实施方式中基材1为FR4，其厚度为小于1mm。由人造微结构2以及其所附着的基材1部分构成的结构单元3的尺寸为入射电磁波波长的十分之一。

同时参考图1及图4，当有电磁波入射到本实施方式所述的光子晶体中时，在呈“I”字型的多个人造微结构2内部积累电势差，使得由陶瓷形成的片状介电材料A与呈“I”字型的多个人造微结构2的接合面S等效于一超高介电绝缘材料，从而使得该接合面S的介电常数ε_s大于片状介电材料A及片状人工合成材料B的介电常数ε_A及ε_B，其中ε_s＝mε_B，m在1-10之间，优选为5。进而使得片状人工合成材料B的等效介电常数ε_Bs。大于片状人工合成材料B的介电常数ε_B，其中ε_Bs＝pε_B，p小于m，且p在1-5之间，优选为3。因而，在片状介电材料A与片状人工合成材料B交替排列形成的光子晶体中，介电常数ε的大小呈周期性交替变化为ε_A-ε_Bs，进而使得光子晶体材料对于特定频带的电磁波呈负折射率。

在上述实施方式中说明了调整多个人造微结构2的几何形状这一种变型。然而在其他实施方式中，也可以调整多个人造微结构2的尺寸或该多个人造微结构2在附着基材1上的分布。在本发明进一步改进型，也可以调整多个人造微结构2的几何形状，使得在片状人工合成材料B上同时具有不同几何形状的人造微结构2，例如同时具有图2中所示的“I”字型的人造微结构2及图2中所示的相互垂直的“I”字型的人造微结构2。当然，本发明中的人造微结构2的具体几何形状并不局限于图2及图4所示的形状，也可以采用其他形状的人造微结构2，但是其作用原理与上述作用原理相同，在此不再赘述。

共同上述说明可知，本发明提供了一种光子晶体，在该光子晶体材料中，构成该光子晶体而周期性排列的材料都呈正折射率，在该光子晶体呈负折射率。

本发明还公开了一种设计对于特定频率的电磁波呈负折射率的光子晶体材料的方法。由上述说明可知，人造微结构的几何形状、尺寸以及多个人造微结构在附着基材上的分布影响片状人工合成材料B的介电常数ε_B以及磁导率μ_B。而片状介电材料A及片状人工合成材料B的尺寸、厚度及介电常数的不同使得光子晶体材料对于不同频带的电磁波呈负折射率。因而，可以根据需要，预设该光子晶体材料对某一频带的电磁波呈负折射率，那么可以通过挑选片状介电材料A及片状人工合成材料B的材料、设计片状介电材料A及片状人工合成材料B的尺寸、厚度及调整人造微结构的几何形状、尺寸以及多个人造微结构在附着基材上的分布来设计出符合要求的光之晶体材料。

图5具体公开了根据本发明设计对于特定频率f0呈负折射率的光子晶体材料的方法，该光子晶体材料包括周期性交替排列的片状介电材料A及片状人工合成材料B，该片状人工合成材料B包括多个人造微结构以及附着基材。

该方法包括以下步骤：

步骤S1，首先预设定所设计的光子晶体材料需要对哪个特定的频率呈负折射率，在本发明中，例如设定该光子晶体材料需要对频率为f0的光子晶体呈负折射率；

步骤S2，选定片状介电材料A的材料及厚度，在本实施方式中，例如选用由陶瓷制成的片状介电材料A，其厚度为1mm。

步骤S3，确定片状人工合成材料B的目标介电常数以及目标磁导率ε₀及μ₀。由步骤S2已知了片状介电材料A的介电常数ε_A及磁导率μ_A，那么根据频率f0以及片状介电材料A的介电常数ε_A及磁导率μ_A可以确定片状人工合成材料B的介电常数ε_B及磁导率μ_B为何值时可以使得光子晶体材料对于频率f0呈负折射率，在本实施方式中，假设在片状人工合成材料B介电常数ε_A及磁导率μ_A分别为ε₀及μ₀时，该光子晶体材料对于频率f0呈负折射率；

步骤S4：设计片状人工合成材料B，使得片状人工合成材料B的介电常数ε_A及磁导率μ_A均大于零，且使得片状人工合成材料B介电常数ε_A及磁导率μ_A分别为ε₀及μ₀。

图6中具体公开了步骤S3中设计片状人工合成材料B使得其介电常数ε_A及磁导率μ_A分别为ε₀及μ₀的具体方法，该方法包括：

步骤S31，选定片状人工合成材料B的基材1，在本发明中，例如选用由FR4制成的基材1，其厚度为小于1mm；

步骤S32，选定片状人工合成材料B的人造微结构2的材质，在本发明中，例如选用由铜制成人造微结构2；

步骤S33，设计人造微结构2的几何形状及尺寸，确定其介电常数ε₂及磁导率μ₂，使得由人造微结构2以及其所附着的基材1部分形成的等效介电常数以及等效磁导率分别为ε₀及μ₀。在本发明的实施方式中，可以通过仿真预设计人造微结构2的几何形状及尺寸，然后通过具体实验测定，具有某种形状及尺寸的人造微结构2是否可以使得片状人工合成材料B的等效介电常数以及等效磁导率分别为ε₀及μ₀。或者，可以直接根据经验设计几何形状及尺寸，然后通过实验验证具有某种形状及尺寸的人造微结构2是否可以使得片状人工合成材料B的等效介电常数以及等效磁导率分别为ε₀及μ₀。通过反复进行设计，反复验证，直至使得片状人工合成材料B的等效介电常数以及等效磁导率分别为ε₀及μ₀，这样来设计人造微结构2的几何形状及结构。

上述说明介绍了一种设计对于特定频率f0呈负折射率的光子晶体材料的方法，该方法简单，容易实现，并且可以根据需要具体调整该光子晶体对于哪个频率范围的电磁呈现负折射率，为进一步利用呈负折射率的光子晶体材料提供了可能。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (10)

1.一种光子晶体材料，其特征在于，所述光子晶体材料包括周期性交替排列的片状介电材料A及片状人工合成材料B，所述片状介电材料A的折射率n_A及所述片状人工合成材料B的折射率n_B均大于零，所述光子晶体材料的折射率n_T小于零。

2.根据权利要求1所述的光子晶体材料，其特征在于，所述片状人工合成材料B包括多个人造微结构以及附着基材，所述多个人造微结构的几何形状、尺寸以及所述多个人造微结构在所述附着基材上的分布影响所述片状人工合成材料B的介电常数ε_B以及磁导率μ_B。

3.根据权利要求2所述的光子晶体材料，其特征在于，所述多个人造微结构响应于电磁波而在其内部积累电势差，使得所述多个人造微结构与所述片状介电材料A的接合处的介电常数大于所述片状介电材料A及所述片状人工合成材料B的介电常数ε_A及ε_B，使得所述片状人工合成材料B的等效介电常数ε_Bs大于ε_B。

4.根据权利要求3所述的光子晶体材料，其特征在于，在所述片状介电材料A与所述片状人工合成材料B周期性交替排列形成的所述光子晶体中，介电常数ε的大小呈周期性交替变化ε_A-ε_Bs。

5.根据权利要求3所述的光子晶体材料，其特征在于，所述片状介电材料A及所述片状人工合成材料B为介电绝缘材料，所述片状介电材料A的介电常数ε_A小于所述片状人工合成材料B的介电常数ε_B。

6.根据权利要求1所述的光子晶体材料，其特征在于，所述片状介电材料A为陶瓷，其厚度为1mm。

7.根据权利要求6所述的光子晶体材料，其特征在于，所述片状人工合成材料B包括“I”字型的多个人造微结构以及由FR4形成的附着基材，所述片状人工合成材料B的厚度为1mm，所述光子晶体材料对于一定频带的电磁波呈负折射率。

8.根据权利要求6所述的光子晶体材料，其特征在于，所述片状人工合成材料B包括由两个相互垂直的“I”字型组合成的多个人造微结构以及由FR4形成的附着基材，所述片状人工合成材料B的厚度为1mm，所述光子晶体材料对于一定频带的电磁波呈负折射率。

9.一种设计对于特定频率呈负折射率的光子晶体材料的方法，所述光子晶体材料包括周期性交替排列的片状介电材料A及片状人工合成材料B，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，预设定所述光子晶体材料对特定频率f0呈负折射率；

步骤S2，选定所述片状介电材料A的材料及厚度；

步骤S3，确定所述片状人工合成材料B的目标介电常数以及目标磁导率ε₀及μ₀；

步骤S4，设计所述片状人工合成材料B，使得所述片状人工合成材料B的所述介电常数以及所述磁导率分别为ε₀及μ₀。

10.根据权利要求9所述的光子晶体材料，其特征在于，所述片状人工合成材料B包括多个人造微结构以及基材，所述步骤S3包括以下步骤：

步骤S31，选定所述片状人工合成材料B的所述基材；

步骤S32，选定所述片状人工合成材料B的所述人造微结构2的材质；

步骤S33，设计所述人造微结构2的几何形状及尺寸，使得所述片状人工合成材料B的所述介电常数以及所述磁导率分别为ε₀及μ₀。

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