CN103036034B - 一种超材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超材料，包括一层或多层折射率分布相同的超材料片层，每一超材料片层被划分多个超材料单元，每一超材料单元包括基材单元以及附着于基材单元上的人造金属微结构；所有的超材料单元以所述超材料片层中心点为圆心呈圆形分布，同一圆上的超材料单元折射率相等；随着半径的增大，对应半径的圆上的超材料单元折射率随之减小且相邻半径圆上的超材料单元折射率变化值随之增大；所述人造金属微结构对相同入射方向、不同极化方式的电磁波具有不同的电磁响应。当入射方向相同，极化方式不同的电磁波通过本发明超材料时，可被汇聚于不同的焦点。

Description

一种超材料

技术领域

本发明涉及材料领域，尤其涉及一种超材料。

背景技术

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

由于超材料的介电常数和磁导率的分布完全是人为制定的，因此针对不同的功能，可制定不同的介电常数和磁导率分布。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种能汇聚电磁波的超材料，且该超材料使得水平极化的电磁波和垂直极化的电磁波在通过该超材料时汇聚于不同的点。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种超材料，其包括：一层或多层折射率分布相同的超材料片层，每一超材料片层被划分多个超材料单元，每一超材料单元包括基材单元以及附着于基材单元上的人造微结构；所有的超材料单元以所述超材料片层中心点为圆心呈圆形分布，同一圆上的超材料单元折射率相等；随着半径的增大，对应半径的圆上的超材料单元折射率随之减小且相邻半径圆上的超材料单元折射率变化值随之增大；所述人造微结构对相同入射方向、不同极化方式的电磁波具有不同的电磁响应。

进一步地，所述超材料单元尺寸为入射电磁波波长的十分之一至五分之一。

进一步地，所述人造金属微结构在超材料片层上的排布规律为：所有的人造微结构以所述超材料片层中心点为圆心呈圆形分布，同一圆上的人造微结构尺寸相等；随着半径的增大，对应半径的圆上的人造微结构尺寸随之减小且相邻半径圆上的人造微结构尺寸变化值随之增大。

进一步地，所述人造微结构为人造金属微结构，包括相互平行的第一金属分支，连接所述第一金属分支的第二金属分支；所述第一金属分支即不垂直于水平方向也不垂直于竖直方向。

进一步地，所述第二金属分支为连接所述第一金属分支中点的直线型金属分支。

进一步地，所述人造微结构为人造金属微结构，包括相互垂直的第一金属分支和第二金属分支，设置于第一金属分支两端且垂直于第一金属分支的第三金属分支，设置于第二金属分支两端且垂直于第二金属分支的第四金属分支；所述第一金属分支和所述第二金属分支长度不相等。

进一步地，所述人造微结构为人造金属微结构，包括相互垂直的第一金属分支和第二金属分支，设置于第一金属分支两端且垂直于第一金属分支的第三金属分支，设置于第二金属分支两端且垂直于第二金属分支的第四金属分支；所述第三金属分支和所述第四金属分支面积不相等。

进一步地，所述第三金属分支和所述第四金属分支面积不相等。

进一步地，所述基材单元由陶瓷、高分子聚合物、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

进一步地，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻附着于所述基材单元。

本发明通过在基材上周期排布人造金属微结构，使之对入射电磁场产生响应以构成超材料，且人造金属微结构满足排布规律：所有的人造金属微结构以所述超材料片层中心点为圆心呈圆形分布，同一圆上的人造金属微结构尺寸相等；随着半径的增大，对应半径的圆上的人造金属微结构尺寸随之减小且相邻半径圆上的人造金属微结构尺寸变化值随之增大，使得电磁波通过该超材料时能够被汇聚。进一步地，本发明的人造金属微结构对入射方向相同但极化方向不同的电磁波具有不同的电磁响应，使得不同极化方向的电磁波在通过该超材料时能汇聚于不同的焦点。

附图说明

图1为本发明一种超材料的结构示意图；

图2为本发明一种超材料XY平面的折射率分布示意图；

图3为本发明超材料上附着的人造金属微结构的第一较佳实施方式；

图4为本发明超材料上附着的人造金属微结构的第二较佳实施方式。

图5为图4所示人造金属微结构拓扑图案的第一衍生图；

图6为图4所示人造金属微结构拓扑图案的第二衍生图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明技术方案。

如图1所示，图1为本发明超材料的结构示意图。图1中，超材料由多个超材料片层10叠加而成，每一超材料片层10的折射率分布均相同，因此本实施例中即以一片超材料片层为例说明。超材料片层10划分为多个超材料单元100，每个超材料单元包括基材单元101以及附着于基材单元上的人造微结构102。人造微结构对入射电磁波响应使得超材料单元整体具有等效的相对介电常数和相对磁导率，改变人造微结构即可改变超材料单元整体的等效相对介电常数和等效相对磁导率。且由于超材料整体要对入射电磁波产生响应，因此所有的超材料单元需对入射电磁波产生连续的电磁响应，这要求每个超材料单元的尺寸需为入射电磁波波长的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。本发明中，由于超材料需对电磁波汇聚，因此超材料的全部超材料单元的折射率并不完全相同，其满足下列分布规律：超材料单元在超材料上呈圆形分布，具有相同半径的圆上的超材料单元的折射率相同，半径越大的圆上的超材料单元的折射率越小且随着半径的增大，相邻半径圆上的超材料单元的折射率的变化值亦增大。如图2所示，图2即为本发明超材料XY平面的折射率分布示意图，其中n₀、n₁、n₂、n₃、n₄、n₅分别代表该区域内超材料单元色折射率值。

本发明中，附着于超材料单元的人造微结构为人造金属微结构，且该人造金属微结构均具有一定的图案和尺寸。根据实验可知，相同图案的人造金属微结构尺寸越大时，附着有该人造金属微结构的超材料单元的折射率越大。因此人造金属微结构在超材料上的分布规律为：人造金属微结构在超材料上呈圆形分布，具有相同半径的圆上的人造金属微结构的尺寸相同，半径越大的圆上的人造金属微结构的尺寸越小且随着半径的增大，相邻半径圆上的人造金属微结构的尺寸变化值亦增大。

人造金属微结构对入射电磁波产生响应即人造金属微结构需对入射电磁波的电场和/或磁场产生响应。而磁场响应一般比较困难，因此本发明主要通过人造金属微结构对入射电磁波的电场产生响应以使得超材料单元整体具有一折射率。当人造金属微结构的拓扑图案在其所属平面上的水平和垂直方向具有不同的电场响应，且超材料整体的人造金属微结构的尺寸排布又满足上述汇聚电磁波的排布规律时，超材料整体即使得水平极化的电磁波和垂直极化的电磁波汇聚于不同的焦点。

本发明中，基材单元可选取陶瓷、高分子聚合物、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成，其中高分子聚合物优选FR‐4或F4B材料。

在基材单元上附着人造金属微结构的方法可为蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻。其中蚀刻为较优的工艺，其主要方法为在设计好合适的人造金属微结构的拓扑图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基材上，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金属微结构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金属微结构。上述金属箔片的材质可以是铜、银等金属。

下面详细描述两种能实现上述功能的人造金属微结构拓扑图案。

人造金属微结构为平面拓扑结构，且位于超材料XY平面，电磁波入射方向为垂直于XY平面的方向，即Z方向。根据电磁学原理可知，Z方向入射的电磁波其电场E方向和磁场B方向相互垂直且均位于XY平面，换句话说，Z方向入射的电磁波，其电场E方向可为X方向或Y方向，相应地，其磁场B方向可为Y方向或X方向。对于不同方向的电场E对应的电磁波，我们称之不同极化方式的电磁波。本发明中，对X方向的电场E对应的电磁波我们定义为水平极化的电磁波，对Y方向的电场E对应的电磁波我们定义为垂直极化的电磁波。

如图3所示，图3为本发明超材料上附着的人造金属微结构的第一较佳实施方式。图3中，人造金属微结构包括相互平行的两条第一金属分支1021以及连接该两条第一金属分支1021的第二金属分支1022，优选地，第二金属分支1022连接两条第一金属分支1021的中点，电场E方向为平行于X轴方向，即入射电磁波为水平极化电磁波。第一金属分支与X轴、Y轴均不垂直。当水平极化的电磁波通过超材料时，电磁波的电场E的方向平行于X轴，根据公式其中ε为超材料相对介电常数、S为垂直于电场E方向的等效第一金属分支面积、d为第一金属分支1021间隔、k为常数、C为等效电容量可知，垂直于电场E方向的等效金属分支面积直接影响超材料相对于水平极化电磁波的相对介电常数。当垂直极化的电磁波通过超材料时，同理，第一金属分支1021垂直于电场E方向，即X方向的等效金属分支面积亦直接影响超材料相对于垂直极化电磁波的相对介电常数。当超材料相对于两种极化方式的电磁波的相对介电常数不同时，同样的超材料相对于极化方式不同的电磁波则能产生不同的电磁响应，即超材料能汇聚极化方式不同的电磁波但是极化方式不同的电磁波二者汇聚的焦点不同。

如图4所示，图4为本发明超材料上附着的人造金属微结构的第二较佳实施方式。图4中，人造金属微结构包括相互垂直的第一金属分支1021’和第二金属分支1022’，第一金属分支1021’垂直于X方向、第二金属分支1022’垂直于Y方向，第一金属分支1021’两端还分别设置有垂直该第一金属分支1021’的第三金属分支1023’，第二金属分支1022’两端还分别设置有垂直该第二金属分支1022’的第四金属分支1024’，电场E方向为垂直于X轴方向，即入射电磁波为垂直极化电磁波。同样根据公式其中ε为超材料相对介电常数、S为垂直于电场E方向的等效金属分支面积、d为垂直于电场E方向的等效金属分支之间的间隔距离、k为常数、C为等效电容量，可知，对垂直极化的电磁波的电场响应主要由第一金属分支1021’的长度与第三金属分支1023’相对面积影响；对水平极化的电磁波的电场响应主要由第二金属分支1022’的长度与第四金属分支1024’相对面积影响。当第三金属分支1023’和第四金属分支1024’面积相等，而第一金属分支1021’长度和第二金属分支1022’长度不等时，同样的超材料对于不同极化方式的电磁波的响应也不相等；当第一金属分支1021’和第二金属分支1022’相等，而第三金属分支1023’和第四金属分支1024’面积不等时，同样的超材料对于不同极化方式的电磁波的响应也不相等。可以想象地，同时改变上述的两个变量也可以使得使之对应不同极化方式电磁波响应不相等。

如图5所示，图5为图4所示人造金属微结构拓扑图案的第一衍生图。图5中第一金属分支和第二金属分支过中点垂直相交且第一金属分支和第二金属分支长度相等，第三金属分支和第四金属分支面积不等。

如图6所示，图6为图4所示人造金属微结构拓扑图案的第二衍生图。图6中第一金属分支和第二金属分支过中点垂直相交且第一金属分支和第二金属分支长度不相等，第三金属分支和第四金属分支面积相等。

采用如图5和图6所示的人造金属微结构更便于制造和大规模生产。

上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，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)

1.一种超材料，其特征在于：包括一层或多层折射率分布相同的超材料片层，每一超材料片层被划分多个超材料单元，每一超材料单元包括基材单元以及附着于基材单元上的人造微结构；所有的超材料单元以所述超材料片层中心点为圆心呈圆形分布，同一圆上的超材料单元折射率相等；随着半径的增大，对应半径的圆上的超材料单元折射率随之减小且相邻半径圆上的超材料单元折射率变化值随之增大；所述人造微结构对相同入射方向、不同极化方式的电磁波具有不同的电磁响应；所述人造微结构为人造金属微结构，包括相互平行的两条第一金属分支以及连接两条所述第一金属分支的第二金属分支，所述第二金属分支连接两条所述第一金属分支的中点，所述第一金属分支与所述第二金属分支不垂直。

2.一种超材料，其特征在于：包括一层或多层折射率分布相同的超材料片层，每一超材料片层被划分多个超材料单元，每一超材料单元包括基材单元以及附着于基材单元上的人造微结构；所有的超材料单元以所述超材料片层中心点为圆心呈圆形分布，同一圆上的超材料单元折射率相等；随着半径的增大，对应半径的圆上的超材料单元折射率随之减小且相邻半径圆上的超材料单元折射率变化值随之增大；所述人造微结构对相同入射方向、不同极化方式的电磁波具有不同的电磁响应；所述人造微结构为人造金属微结构，包括相互垂直的第一金属分支和第二金属分支，设置于第一金属分支两端且垂直于第一金属分支的第三金属分支，设置于第二金属分支两端且垂直于第二金属分支的第四金属分支；所述第三金属分支和所述第四金属分支面积相等，所述第一金属分支和所述第二金属分支过中点垂直相交且所述第一金属分支和所述第二金属分支长度不相等。

3.一种超材料，其特征在于：包括一层或多层折射率分布相同的超材料片层，每一超材料片层被划分多个超材料单元，每一超材料单元包括基材单元以及附着于基材单元上的人造微结构；所有的超材料单元以所述超材料片层中心点为圆心呈圆形分布，同一圆上的超材料单元折射率相等；随着半径的增大，对应半径的圆上的超材料单元折射率随之减小且相邻半径圆上的超材料单元折射率变化值随之增大；所述人造微结构对相同入射方向、不同极化方式的电磁波具有不同的电磁响应；所述人造微结构为人造金属微结构，包括相互垂直的第一金属分支和第二金属分支，设置于第一金属分支两端且垂直于第一金属分支的第三金属分支，设置于第二金属分支两端且垂直于第二金属分支的第四金属分支；所述第三金属分支和所述第四金属分支面积不相等，所述第一金属分支和所述第二金属分支过中点垂直相交且所述第一金属分支和所述第二金属分支长度相等。

4.如权利要求1至3任意一项所述的超材料，其特征在于：所述超材料单元尺寸为入射电磁波波长的十分之一至五分之一。

5.如权利要求1至3任意一项所述的超材料，其特征在于：所述人造微结构在超材料片层上的排布规律为：所有的人造微结构以所述超材料片层中心点为圆心呈圆形分布，同一圆上的人造微结构尺寸相等；随着半径的增大，对应半径的圆上的人造微结构尺寸随之减小且相邻半径圆上的人造微结构尺寸变化值随之增大。

6.如权利要求1所述的超材料，其特征在于：所述第二金属分支为连接所述第一金属分支中点的直线型金属分支。

7.如权利要求1至3任意一项所述的超材料，其特征在于：所述基材单元由陶瓷、高分子聚合物、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

8.如权利要求1至3任意一项所述的超材料，其特征在于：所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于所述基材单元。