CN103268985A - 一种电磁波波束调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波束调控装置，包括金属层和介质层，其特征在于，所述的金属层厚度小于工作波长的三分之一，所述的介质层的厚度小于工作波长的二分之一，金属层和介质层交替叠加的总厚度不超过两个波长，所述的金属层上具有超原胞，该超原胞包括多个金属谐振单元。本发明的波束调控装置利用金属谐振单元来调控相位，从而实现波束调控，因此厚度超薄。利用多层金属结构的局域共振模式近场耦合产生宽频带，高效率的相位控制，从而实现高效率的波束调控。利用平面结构来调控电磁波波束，制备简单，价格便宜。因此，具有很大的经济效益。

Description

一种电磁波波束调控装置

技术领域

本发明涉及一种波束调控装置，特别涉及一种采用超材料进行波束调控的装置。

背景技术

波束调控是人们超控电磁波的一个非常重要手段。波束调控装置对于器件应用非常重要。波束调控的范畴包含电磁波的聚焦、发散、波分复用、波束偏转、波束模式转换等等。透镜是实现对电磁波的聚焦和发散的基本器件，在光波段和微波段均有广泛的应用。波分复用、波束偏转、波束模式可以通过特殊的光栅实现。这些器件应用到的基本物理原理就是费马原理。

电磁波在介质中传播时遵循费马原理，即光波从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。更普适的表述为稳定相位理论，即光波沿不同路径从A点传播到B点时，沿传播路径的相位累加

的一阶导数必须是零。费马原理是光学中的一条重要原理，由此原理可证明反射和折射定律，以及傍轴条件下透镜的等光程性等。同时也告诉我们，通过对光波的相位调控，可以实现对光波波束的控制，例如波束偏转，波束整形等等。

传统方法一般利用介质的时延来调控位相，电磁波在介质中传播的时延会引入对出射波的相位的改变。通过对介质厚度的分布或者传播路径的长短可以改变沿不同路径的电磁波相位分布，从而实现对波束调控的目的。例如透镜是通过设计特殊形状的玻璃来调控位相，当光通过不同位置时，由于介质厚度是位置的函数，因此时延和位相可以被精确控制，波束可以被发散，聚焦。但是电磁波在介质中传播时相位是缓变的，因此要波束调控装置的厚度一般远大于波长。

电磁超材料能实现负的介电常数和磁导率，同时也使得出射波和反射波振幅和相位在亚波长厚度内得到调控。2011年10月Science报道了哈佛大学F.Capasso教授课题组关于利用超薄单层金属结构超材料的相位突变实现光波的波束整形，利用V形金属结构给出了一个产生涡旋波束的实例，引起了广泛关注[Science334,333(2011)]。超材料的谐振特性能改变特定频率电磁波的相位，出射波和反射波与入射波存在一个相位突变，这使得光波波束能在亚波长尺度内得到调控，F.Capasso教授等人正是通过电磁（光）波的相位突变产生涡旋波束。2012年1月，美国普度大学V.M.Shalaev教授等人也利用V字结构排列而成的平面电磁特异材料在可见光频段实现了对反射波和出射波宽角度波束偏转，该工作同样发表在Science杂志上[Science335,427(2012)]。利用电磁超材料调控相位这一概念实现高效的波束整形，需要对相位的调控范围尽量大，完全覆盖0-360o区间；如果在相位控制的同时能对出射波的振幅加以调节，波束调控的自由度就更大，甚至可以实现平面波到任意高阶涡旋波束的高效率转换。而现有的这些金属谐振单元（光波天线）很难同时实现这些条件。如前所述的V字形状光波天线可以在0-360o范围调节散射波相位，但是其对于光波的散射振幅只能微弱调制，因此波束调控效率很低，总转换效率小于10%。在V.M.Shalaev等人的研究工作中，虽然光波在很大角度范围得到了偏转，但是其有效透过率和反射率都不足3%。因此寻找局域场的位相和振幅均能大幅度调节、且总体透射率高的平面电磁超材料很有必要。

金属薄板周期小孔的超透射现象中，透射波相位也受到了SPPs模式和局域共振模式的调制。对于单层金属小孔阵列而言，其局域模式的谐振隧穿使得出射波和入射波在超透射频点同相，所以其相位调控能力有限。2011年，魏泽勇等人在Optics Express19,21425(2011)上公布了一种利用层叠金属结构实现宽频带透波和相位调控技术。该文章指出，利用金属层叠结构，局域共振模式的层间耦合使出射波的相位在更大范围内得以调节，相位调节范围与金属层数成正比关系。以两层金属超透射结构为例，层间耦合形成的对称态和反对称态，使出射波的相位分别是0和π。在这两个频率之间的频段，出射波在保持高透过率的同时，位相能在0～π范围内调节。而层数越多，其调节范围越宽、且能维持高透明。本发明正是利用金属-介质多层的通孔（例如同轴圆环孔）叠层结构在平面内的排布进行拓扑设计，产生“光学天线阵列”的效果，裁剪波阵面相位实现波束偏转和整形。该方法能大大增强波束转换效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用多层金属谐振结构来实现高效率波束调控装置，通过对多层金属谐振结构空间分布设计，可以实现高效的波束偏转，聚焦，波分复用等波束调控功能。这种多层金属谐振结构利用局域共振模式的层间耦合展宽高透明的频带，在高透明的频带中，相位连续可调。

本发明的技术方案是一种波束调控装置，包括金属层和介质层。

所述的金属层厚度小于工作波长的三分之一，所述的介质层的厚度小于工作波长的二分之一，所述的金属层的层数为2～8层，根据金属层的层数，与金属层交替设置的介质层的层数为1～9层，金属层和介质层交替叠加的总厚度不超过两个波长，

所述的金属层上具有超原胞，该超原胞包括多个金属谐振单元，每一个金属谐振单元在平面内的尺寸小于一个工作波长，金属谐振单元大小、形状、数量和几何参数根据介质层的介电常数、磁导率以及波束调控的相位分布确定。

更进一步地，所述的金属层为铜、铝、钢铁、金或银材料，

所述的介质层为微波波段的印刷电路板、塑料、氧化硅、氧化铝陶瓷、铁氧体，铁电介质，铁磁介质或非线性介质材料，

金属谐振单元的形状为金属层上镂空的圆环孔、方环孔、椭圆环孔、圆孔、方孔、三角孔、Y形孔或椭圆孔，或者为金属圆片、方形片或椭圆片，或者为分形结构。

更进一步地，所述的工作波长30mm，所述金属层为三层，所述的介质层为两层，金属层材料为铜箔，介质层材料为微波印刷电路板，金属层的厚度为0.035mm，介质层的厚度为1.6mm，所述的超原胞的金属谐振单元大小为12mm×12mm，每个超原胞含有9×1个金属谐振单元，超原胞沿y方向的距离为12mm，所述的金属谐振单元为金属层上镂空的圆环孔，每金属谐振单元的圆环孔的间距为12mm，每个金属谐振单元的圆环孔的外径R_n＝5.8mm，在一个超原胞内，9个金属谐振单元沿x方向圆环孔的内径渐变，分别为1.98mm、2.76mm、3.66mm、4.26mm、4.56mm、4.76mm、4.86mm、4.94mm、5.08mm。

更进一步地，所述的超原胞为一个或在平面内重复的多个。

本发明的有益效果是1）本发明的波束调控装置利用金属谐振单元来调控相位，从而实现波束调控，因此厚度超薄。2）利用多层金属结构的局域共振模式近场耦合产生宽频带，高效率的相位控制，从而实现高效率的波束调控。波束调控效率取决于每一个金属谐振单元的透过率，本发明的波束调控效率大于60%。3）利用平面结构来调控电磁波波束，制备简单，价格便宜。因此，具有很大的经济效益。

附图说明

图1为本发明的波束调控装置的金属层结构图

图2为本发明的波束调控装置的横剖面结构图

图3为本发明的波束调控装置的金属谐振单元的透过率和相位

图4为电磁波入射到本发明的波束调控装置的样品表面前后的远场方向图仿真计算和测量结果：(a)为FDTD仿真结果，(b)为实验测量结果

图中：1-金属层，2-金属谐振单元，3-超原胞，4-介质层

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明的一种波束调控装置，包括金属层和介质层。

所述的金属层厚度小于工作波长的三分之一，所述的介质层的厚度小于工作波长的二分之一，所述的金属层的层数为2～8层，根据金属层的层数，与金属层交替设置的介质层的层数为1～9层，金属层和介质层交替叠加的总厚度不超过两个波长。

所述的金属层上具有超原胞，该超原胞包括多个金属谐振单元，每一个金属谐振单元在平面内的尺寸小于一个工作波长，金属谐振单元大小、形状、数量和几何参数根据介质层的介电常数、磁导率以及波束调控的相位分布确定。

金属层为铜、铝、钢铁、金或银材料。介质可以是普通电介质，例如微波波段的印刷电路板，塑料，氧化硅，氧化铝陶瓷。也可以是介电常数或者磁导率可调的介质，例如铁氧体，铁电介质，铁磁介质，非线性介质等材料，利用可调介质本发明装置的波束可以通过电场、磁场和光场等外加条件调控。

金属谐振单元的形状为金属层上镂空的圆环孔、方环孔、椭圆环孔、圆孔、方孔、三角孔、Y形孔或椭圆孔，或者为金属圆片、方形片或椭圆片，或者为分形结构。

根据波束调控的需求，首先确定出射波在平面内的相位分布，然后根据平面内相位调控范围，合适选取金属层数，金属层数应大于相位调控范围与π的比值。介质层和金属层交叠放置，因此介质层数与金属层数差值不能大于1。确定金属层数、介质层数和金属谐振单元结构后选取超原胞大小和超原胞内结构单元数量，超原胞的结构单元数量一般不超过20×20个。超原胞结构的单元结构大小、形状及几何参数根据波束调控的需求设计，即首先根据介质介电常数和磁导率，利用数值仿真软件的手段，扫描金属谐振单元的参数，得出不同参数情况下的出射波相位；然后根据波束调控目的所规定的相位分布，选取原胞内各金属谐振单元的尺寸。本发明装置的超原胞单元既可以是一个，也可以在平面内重复。

与传统超材料有关波束调控方法不同，我们利用多层金属结构来实现波束调控，我们知道，局域共振模式的层间耦合可以有效展宽超透射的频带，在高透明频带内，透射波的相位是连续可调的。而波束调控可以通过精确设计平面内的相位分布来实现，因此通过改变多层金属结构形状和几何参数在平面内的分布，及可实现波束调控，而多层结构的设计保证了波束调控的高效性。

本发明的一个实施例如下：

如图1-2所示，该实施例工作频率为10GHz，工作波长30mm，波束调控目的为波束偏转，偏转角度为18度。波束调控装置由三层金属层和两层介质层构成，金属层选择三层是因为想波束偏转18度需要高效率的相位调控范围是0-2π，而三层金属结构正好满足此需求。金属层和介质层的厚度分别是0.035mm和1.6mm，总厚度为3.3mm，约为工作波长的三分之一，厚度超薄。三层金属层结构一样，金属层为铜箔，镂有渐变圆环。介质层为微波印刷电路板，三层金属层和两层介质层经由印刷电路板工艺粘接而成。

根据斯涅尔定律，要想实现波束偏转，则出射波的相位必须沿x方向存在一个梯度

第一实施例利用三层镂有金属圆环的金属结构来调控相位，相位调控范围是0-2π，根据需要偏转的角度θ＝18°，我们可以求出超原胞的长度为：L＝λ/sin(θ)≈97mm，因此超原胞的单元结构大小选取12mm×12mm，每个超原胞含有9×1个单元，整个样品含有1×12个超原胞，超原胞沿y方向的距离为12mm。每个超原胞由9×1个镂有圆环孔的金属谐振单元构成，圆环的间距为12mm，圆环的外径保持不变R_n＝5.8mm。根据波束偏转角度θ，我们可以得到每一个金属谐振单元出射波相位为0，π/8，π/4…2π。根据介质层的厚度和电磁参数，通过电磁仿真软件CST或者HFSS等，计算单个谐振单元，不同内径情况下的10GHz频率的透过率和相位，计算中采用周期边界条件。得出不同内径情况下金属谐振单元结构的透射波相位后，根据相位要求合适选取超原胞内不同位置的金属谐振单元圆环内径r_n(n＝1,2,..,9)大小，本实施例金属谐振单元结构内径为1.98mm，2.76mm，3.66mm，4.26mm，4.56mm，4.76mm，4.86mm，4.94mm，5.08mm。入射波沿z方向，电场沿x方向，磁场沿y方向。

如图3所示，每一个金属谐振单元结构透过波的相位和振幅，我们可以看到，当r_n由r₁变化到r₉时，出射波的相位均匀的从0变化到-2π，而每一个金属谐振单元的振幅均大于80%，显示了本发明具有高效调控电磁波波束的能力。而其他有关超材料装置调控相位的同时，透过一般都小于10%，由此我们可以利用该结构实现高效的波束偏转。

为了定量的分析波束偏转的角度和效率，我们必须获得远场数据。我们测量了该样品的远场方向图。测量中我们把喇叭天线和样品均固定在微波暗室的转台上，转台通过电脑驱动以0.1度的分辨率旋转，远场方向图通过另外一个相同的喇叭天线接收测量。接收喇叭天线距离转台1.5m，满足远场条件。图4给出了远场计算和测量的结果。从图中我们可以看出，波束偏转的角度为18度，和理论预期的相同，偏转后的波束与不放置样品前的波束相比，其效率大于65%。

除了波束偏转，本发明还可以实现高效波束聚焦，波分复用等其他波束调控功能。例如我们把第一发明实施例超原胞中的圆环内径经过合适设计，可以实现波束聚焦。首先根据焦距L我们可以得到平面内各谐振单元的相位分布

然后根据介质板电磁参数和厚度，通过数值仿真和参数扫描，得出不同内径情况下单元结构的透射波相位，根据相位分布要求选择原胞内各个单元的圆环内径大小即可实现波束聚焦功能。

Claims (4)

1.一种波束调控装置，包括金属层和介质层，其特征在于，

所述的金属层厚度小于工作波长的三分之一，所述的介质层的厚度小于工作波长的二分之一，所述的金属层的层数为2～8层，根据金属层的层数，与金属层交替设置的介质层的层数为1～9层，金属层和介质层交替叠加的总厚度不超过两个波长，

所述的金属层上具有超原胞，该超原胞包括多个金属谐振单元，每一个金属谐振单元在平面内的尺寸小于一个工作波长，金属谐振单元大小、形状、数量和几何参数根据介质层的介电常数、磁导率以及波束调控的相位分布确定。

2.如权利要求1所述的一种波束调控装置，其特征在于，

所述的金属层为铜、铝、钢铁、金或银材料，

所述的介质层为微波波段的印刷电路板、塑料、氧化硅、氧化铝陶瓷、铁氧体，铁电介质，铁磁介质或非线性介质材料，

金属谐振单元的形状为金属层上镂空的圆环孔、方环孔、椭圆环孔、圆孔、方孔、三角孔、Y形孔或椭圆孔，或者为金属圆片、方形片或椭圆片，或者为分形结构。

3.如权利要求1所述的一种波束调控装置，其特征在于，

所述的工作波长30mm，所述金属层为三层，所述的介质层为两层，金属层材料为铜箔，介质层材料为微波印刷电路板，金属层的厚度为0.035mm，介质层的厚度为1.6mm，介电常数为2.55,所述的超原胞的金属谐振单元大小为12mm×12mm，每个超原胞含有9×1个金属谐振单元，超原胞沿y方向的距离为12mm，所述的金属谐振单元为金属层上镂空的圆环孔，每金属谐振单元的圆环孔的间距为12mm，每个金属谐振单元的圆环孔的外径R_n＝5.8mm，在一个超原胞内，9个金属谐振单元沿x方向圆环孔的内径渐变，分别为1.98mm、2.76mm、3.66mm、4.26mm、4.56mm、4.76mm、4.86mm、4.94mm、5.08mm。

4.如权利要求1-3任一一项所述的一种波束调控装置，其特征在于，所述的超原胞为一个或在平面内重复的多个。

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