CN103134774B - 一种获得超材料折射率分布的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获得超材料折射率分布的方法及其装置，所述方法包括：采用仿真方式使电磁波透过所述超材料；获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述超材料相对于电磁波传输方向的后表面的实验相位分布数据；获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息；若所述相位分布数据之间的差距信息未达阈值时，改变所述超材料的折射率分布，并返回采用仿真方式使电磁波透过所述超材料的步骤，并循环，直至所述相位分布数据之间的差距信息达到阈值。通过上述方式，本发明采用仿真方式，能够节省大量的人力物力财力，可以比较有针对性地、较快地设计出满足要求的目标超材料。

Description

一种获得超材料折射率分布的方法及其装置

技术领域

本发明涉及超材料领域，特别是涉及一种获得超材料折射率分布的方法及其装置。

背景技术

超材料(metamaterial)是一个融合了电磁、微波、太赫兹、光子、先进工程设计、通信等学科的高度交叉的新兴领域。

在研究材料对其他电磁波比如微波的响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的作用都可以用材料的整体参数介电常数ε和磁导率μ来描述。而在一般情况下，介电常数和磁导率又由每个微结构对电磁波的响应决定。如果通过对材料中微结构的设计使材料具有所需要的任意介电常数和磁导率分布，这也就是超材料。

材料的介电常数和磁导率的分布可以通过材料中各点的折射率n的分布体现出来。现有技术是通过麦克斯韦尔方程和程函方程得到有关折射率n的偏微分方程，然后数值求解得到折射率n的分布，此过程比较繁琐复杂。或者通过人工重复进行设置数值、仿真数值、调整数值、再次仿真数值直至得到最优结果的方式，来设计超材料，此设计过程带有盲目性，浪费大量的人力物力财力，并且不一定可以找到所需要的目标超材料。

因此，有必要提供一种获得超材料折射率分布的方法及其装置，有效的解决上述存在的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种获得超材料折射率分布的方法及其装置，能够很简单地、有目标、有针对性的获得满足要求的超材料。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种获得超材料折射率分布的方法，包括：采用仿真方式使电磁波透过所述超材料；获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述超材料相对于电磁波传输方向的后表面的实验相位分布数据；获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息；若所述实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息未达阈值时，改变所述超材料的折射率分布，并返回采用仿真方式使电磁波透过所述超材料的步骤，并循环，直至所述实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息达到阈值。

其中，所述改变超材料的折射率分布的步骤包括：通过n个点插值的方式来拟合所述超材料的折射率分布，并且通过改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。

其中，所述改变n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布的步骤包括：采用交叉熵算法改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。

其中，所述获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息的步骤包括：采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息。

其中，所述采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息的步骤包括：采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据两数据曲线夹住的面积。

其中，所述获取用以描述和衡量超材料对电磁波响应的数据的步骤包括：利用matlab软件和comsol软件的接口提取出comsol软件内仿真得到的数据，以获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种获得超材料折射率分布的装置，包括：仿真测试模块，用于采用仿真方式使电磁波透过所述超材料；数据采集模块，用于获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述超材料相对于电磁波传输方向的后表面的实验相位分布数据；差距分析模块，用于获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息；判断模块，用于在所述实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息未达阈值时，改变所述超材料的折射率分布，并返回仿真测试模块的步骤，并循环，直至所述实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息达到阈值。

其中，所述判断模块具体用于通过n个点插值的方式来拟合所述超材料的折射率分布，并且通过改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。

其中，所述差距分析模块具体用于采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息。

其中，所述数据采集模块具体是利用matlab软件和comsol软件的接口提取出comsol软件内仿真得到的数据，以获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明获得超材料折射率分布的方法及其装置，采用仿真的方式测试设计的超材料，获得数据后与目标要求比对，得到差距信息后，再根据差距信息来改变超材料的折射率分布以逼近目标折射率分布，进入循环步骤，通过这种方式，可以节省大量的人力物力财力，能够比较有针对性地、较快地设计出满足要求的目标超材料。

附图说明

图1是本发明中超材料的基本单元的立体结构示意图；

图2是本发明获得超材料折射率分布的方法一实施例的流程图；

图3是本发明获得超材料折射率分布的装置一实施例的结构示意图。

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。

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。设计材料每点的结构，使材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同，从而使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可使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。这种具有规律排布的磁导率和介电常数的材料称之为超材料。

如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。在本发明中，人造微结构为人造金属微结构，其具有对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸，可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列，可使超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应，因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波五分之一波长，优选为入射电磁波十分之一波长。

在本段描述中，将超材料整体划分为多个超材料基本单元是一种人为的方法，此种划分方法仅为描述方便，不应该看成超材料是由多个超材料基本单元拼接或组装而成的。在实际应用中，超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上而形成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

图2是本发明获得超材料折射率分布的方法一实施例的流程图，如图2所示，所述方法包括如下步骤：

步骤201：采用仿真方式使电磁波透过所述超材料。

根据经验预先设计一个具有初始折射率分布的超材料，采用仿真方式使电磁波透过具有初始折射率分布的超材料。

步骤202：获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述超材料相对于电磁波传输方向的后表面的实验相位分布数据。例如电磁波发射源发出的电磁波经过所述超材料后是不是变平行了、3dB角是多大、主瓣峰值是多大等等。

步骤203：获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息。

在一优选实施例中，获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息的步骤包括：采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息。所述评价函数是要根据目标相位分布数据的要求来评价的。例如，目标相位分布数据要求3dB角越小越好、主瓣峰值越大越好、旁瓣峰值越小越好。因此设计出来的评价函数必须能够分别评价3dB角、主瓣峰值以及旁瓣峰值。如果电磁波发射源发出的电磁波经过所述超材料后变平行了，那么超材料后表面的相位要相等，等于常数。

进一步，采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息的步骤包括：采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据两数据曲线夹住的面积。所述评价函数必须能够评价实验相位分布数据与目标相位分布数据两数据曲线夹住的面积的变化情况，例如，如果电磁波发射源发出的电磁波经过所述超材料后需要变平行了，那么超材料后表面的相位要相等，等于常数；实验相位分布数据与目标相位分布数据两数据曲线夹住的面积应该是越小越好，直至实验相位分布几乎成一条直线分布。

步骤204：若所述实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息未达阈值时，改变所述超材料的折射率分布，并返回采用仿真方式使电磁波透过所述超材料的步骤，并循环，直至所述验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息达到阈值。

在一优选实施例中，改变超材料的折射率分布的步骤包括：通过n个点插值的方式来拟合所述超材料的折射率分布，并且通过改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。

具体地，所述超材料虚拟划分为多个超材料基本单元，改变该多个超材料基本单元中n个超材料基本单元的折射率，利用该改变后的n个超材料基本单元的折射率通过插值方法拟合得到改变后的超材料整体的折射率分布。其中，改变该n个超材料基本单元的折射率可以通过改变该n个超材料基本单元上的人造微结构的尺寸或者结构来实现。

所谓插值方法，是函数逼近的一种重要方法，又称“内插法”，利用函数f(x)在某区间中若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值。此处插值，可以采用拉格朗日插值、牛顿插值、埃尔米特插值或者分段多项式插值等等。

在另一优选实施例中，改变n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布，可以采用交叉熵算法改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。交叉熵算法主要包括一个迭代过程，每次迭代都可以分为两个过程：第一，根据特定的产生机制产生一组随机的样本；本实施例中，指利用插值法得到折射率分布；第二，用生成的样本更新该样本生产机制的参数，以使得下次迭代时生产更好的样本，本实施例中，指利用得到的折射率分布更新插值法的参数以获得更优化的折射率分布。

进一步，所述获得超材料折射率分布的方法可以利用matlab软件和comsol软件的接口提取出comsol软件内仿真得到的数据，以获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据。获取用以描述和衡量超材料对第一电磁波响应的数据的方式可以使用matlab软件工具，也可以是其它可以和comsol软件匹配使用的数学软件工具。comsol软件名是comsolmultiphysics。comsolmultiphysics软件是一款大型的高级数值仿真软件，是一款任意多物理场直接耦合分析软件，它广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算、模拟科学和工程领域的各种物理过程。comsolmultiphysics软件是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程(单场)或偏微分方程组(多场)来实现真实物理现象的仿真，用数学方法求解真实世界的物理现象。matlab是矩阵实验室(matrixlaboratory)的简称，是一种商业数学软件，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式。matlab软件的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，并且matlab软件也吸收了像maple等软件的优点，使matlab软件成为一个强大的数学软件。

本实施例采用仿真的方式测试设计的超材料，获得数据后与目标要求比对，得到差距信息后，再根据差距信息来改变超材料的折射率分布以逼近目标折射率分布，进入循环步骤，通过这种方式，可以节省大量的人力物力财力，且方法简单，能够比较有针对性地、较快地设计出满足要求的目标超材料。

图3是本发明获得超材料折射率分布的装置一实施例的结构示意图，如图3所示，所述装置包括：仿真测试模块301、数据采集模块302、差距分析模块303以及判断模块304。

仿真测试模块301用于采用仿真方式使电磁波透过所述超材料。根据经验预先设计一个具有初始折射率分布的超材料，采用仿真方式使电磁波透过具有初始折射率分布的超材料。

数据采集模块302用于获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述超材料相对于电磁波传输方向的后表面的实验相位分布数据。例如电磁波发射源发出的电磁波经过所述超材料后是不是变平行了、3dB角是多大、主瓣峰值是多大等等。

在一优选实施例中，所述数据采集模块具体是利用matlab软件和comsol软件的接口提取出comsol软件内仿真得到的数据，以获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据。获取用以描述和衡量超材料对第一电磁波响应的数据的方式可以使用matlab软件工具，也可以是其它可以和comsol软件匹配使用的数学软件工具。

差距分析模块303用于获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息。在一优选实施例中，所述差距分析模块具体用于采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息。所述评价函数是要根据目标相位分布数据的要求来评价的。在另一优选实施例中，所述差距分析模块具体用于采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据两数据曲线夹住的面积。所述评价函数必须能够评价实验相位分布数据与目标相位分布数据两数据曲线夹住的面积的变化情况。

判断模块304用于在所述实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息未达阈值时，改变所述超材料的折射率分布，并返回仿真测试模块，并循环，直至所述实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息达到阈值。

在一优选实施例中，所述判断模块具体用于通过n个点插值的方式来拟合所述超材料的折射率分布，并且通过改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。

具体地，所述超材料虚拟划分为多个超材料基本单元，改变该多个超材料基本单元中n个超材料基本单元的折射率，利用该改变后的n个超材料基本单元的折射率通过插值方法拟合得到改变后的超材料整体的折射率分布。其中，改变该n个超材料基本单元的折射率可以通过改变该n个超材料基本单元上的人造微结构的尺寸或者结构来实现。

所谓插值方法，是函数逼近的一种重要方法，又称“内插法”，利用函数f(x)在某区间中若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值。

在另一优选实施例中，所述判断模块具体用于采用交叉熵算法改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。交叉熵算法主要包括一个迭代过程，每次迭代都可以分为两个过程：第一，根据特定的产生机制产生一组随机的样本；本实施例中，指利用插值法得到折射率分布；第二，用生成的样本更新该样本生产机制的参数，以使得下次迭代时生产更好的样本，本实施例中，指利用得到的折射率分布更新插值法的参数以获得更优化的折射率分布。

区别于现有技术的情况，本发明获得超材料折射率分布的方法极其装置，采用仿真的方式测试设计的超材料，获得数据后与目标要求比对，得到差距信息后，再根据差距信息来改变超材料的折射率分布以逼近目标折射率分布，进入循环步骤，通过这种方式，可以节省大量的人力物力财力，且方法简单，同时利用统计算法交叉熵来优化折射率分布，能够比较有针对性地、较快地设计出满足要求的目标超材料。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种获得超材料折射率分布的方法，其特征在于，包括：

采用仿真方式使电磁波透过所述超材料；

获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述超材料相对于电磁波传输方向的后表面的实验相位分布数据；

获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息；

若所述实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息未达阈值时，改变所述超材料的折射率分布，并返回采用仿真方式使电磁波透过所述超材料的步骤，并循环，直至所述实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息达到阈值；

所述改变超材料的折射率分布的步骤包括：通过n个点插值的方式来拟合所述超材料的折射率分布，并且通过改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述改变n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布的步骤包括：采用交叉熵算法改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息的步骤包括：采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息的步骤包括：采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据的两数据曲线所夹住的面积。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，

所述获取用以描述和衡量超材料对电磁波响应的数据的步骤包括：利用matlab软件和comsol软件的接口提取出comsol软件内仿真得到的数据，以获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据。

6.一种获得超材料折射率分布的装置，其特征在于，包括：

仿真测试模块，用于采用仿真方式使电磁波透过所述超材料；

数据采集模块，用于获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述超材料相对于电磁波传输方向的后表面的实验相位分布数据；

差距分析模块，用于获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息；

判断模块，用于在所述实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息未达阈值时，改变所述超材料的折射率分布，并返回仿真测试模块的步骤，并循环，直至所述实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息达到阈值。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述判断模块具体用于通过n个点插值的方式来拟合所述超材料的折射率分布，并且通过改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述差距分析模块具体用于采用评价函数来衡量并获取实验相位分布数据与目标相位分布数据之间的差距信息。

9.根据权利要求6至8任一项所述的装置，其特征在于，

所述数据采集模块具体是利用matlab软件和comsol软件的接口提取出comsol软件

内仿真得到的数据，以获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据。