CN103390800B - 基于人工电磁材料的表面等离激元透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于人工电磁材料的表面等离激元透镜，它包括衬底以及设置在所述衬底上的、由周期性排布的结构单元组成的表面金属结构，所述表面金属结构成轴对称，所述结构单元包括U型金属片，且U型金属片的槽深沿对称轴向外侧渐变。本发明能够调控电磁波，实现透镜对表面等离激元的相位调控；并且能够通过结构参数的缩放，使其工作在微波、毫米波和太赫兹波等不同频段。
Description
技术领域
本发明涉及人工复合材料，尤其是一种可以调控表面等离激元相位的透镜。
背景技术
在光波段，金属具有负的介电常数，表面等离激元存在于金属表面；而在微波、毫米波和太赫兹波段，金属具有正的结点常数，表面波以索寞菲尔德波的形式存在，其束缚能力很差，使得难以在微波，毫米波和太赫兹波段设计表面波器件。
新型人工电磁材料是将具有特定几何形状的亚波长基本单元周期性/非周期性地排列，或者植入到基体材料体内（或表面）所构成的一种人工材料。新型人工电磁材料和传统意义材料的区别就在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元（原子或分子）。
新型人工电磁材料的基本单元一般为亚波长尺寸的电/磁谐振器，具体可以采用金属谐振结构或者打孔介质基板等。在研究本发明所述透镜的过程中发现：由于新型人工电磁材料的特性取决于其基本单元结构，可通过人为控制谐振单元来实现传统材料所不能获得的材料参数，针对表面波器件，材料参数为表面折射率n。
发明内容
发明目的：本发明要提供一种基于人工电磁材料的表面等离激元透镜，以解决上述问题，使表面等离激元能够在微波、毫米波和太赫兹波段传播；并实现透镜对表面等离激元的相位调控。
技术方案：一种基于人工电磁材料的表面等离激元透镜，包括衬底以及设置在所述衬底上的、由周期性排布的结构单元组成的表面金属结构，所述表面金属结构成轴对称，所述结构单元包括U型金属片，且U型金属片的槽深沿对称轴向外侧渐变。
若干个U型金属片沿平行于对称轴的方向排列成多行。位于同一行的U型金属片的槽深相等。位于同一行的U型金属片的间距相等。相邻行的行间距相等。位于不同行上的U型金属片的槽深不同，槽深从靠近对称轴处向远离对称轴处逐渐减小。所述衬底为采用聚四氟乙烯制作的介质板。
有益效果：本发明的表面等离激元透镜，可通过结构参数的调整，实现在微波、毫米波和太赫兹等波段对表面等离激元的相位调控；本发明的透镜还具有性能稳定、制作简单、工艺成熟、价格不高和便于推广等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明结构单元的示意图；
图3a为实施例中一个单元距离的相位变化与单元槽深度的关系；图3b为一个单元距离的相位变化和槽深度在不同行的分布；
图4a和图4b为仿真和测试近场分布对比。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明基于新型人工电磁材料的表面等离激元透镜主要包括衬底1和表面金属结构2。表面金属结构成轴对称，由多个结构单元组成，结构单元包括U型金属片3。U型金属片以水平中轴线为基准排布成若干行；位于同一行的U型金属片槽深相等，位于同一行上的U型金属片间距相等，相邻行的间距相等；位于不同行上的槽深不等，槽深从靠近对称轴处向远离对称轴处逐渐减小。透镜的表面折射率两边渐变分布。
表面等离激元能够在人工电磁材料上传播，在于组成透镜的金属片单元能够支持TE模式的表面波，这种表面波的色散曲线类似于光波段的表面等离激元。因此通过这种结构化的单元使得表面等离激元能够在低于光波段的频段得到应用。
图2为本发明的结构单元（人工电磁材料单元）的示意图，其为在介质板上刻蚀U型金属片结构，介质板的材质为聚四氟乙烯材质，介电常数为2.2。
在其他实施例中，透镜主体的表面折射率根据新型人工电磁材料的结构参数调控，上述结构参数包括U型金属片单元的长度和宽度、U型金属片的槽深、位于同一行的U型金属片的间距，以及相邻行的间距；除此之外，还可以对上述槽深的变化规律进行其他设计。根据工作频段不同，可采用不同加工工艺实现。
另外，由于本发明能够实现渐变的媒质参数，即渐变的表面折射率，这种性质可以用于实现表面等离激元透镜天线；在上述结构中，可以对基本单元的排布进行设计，以获得符合透镜主体折射率需求的透镜，控制表面等离激元的相位分布。
转到图3a和图3b，图3a表现了新型人工电磁材料所支持的表面等离激元在沿透镜水平轴线上的一个单元距离的相位变化与深度的关系。由于这个相位变化与表面折射率成正比，通过这个相位变化与深度的关系可以得到所设计表面等离激元透镜的表面折射率分布。图3b中φ S 线表现了离透镜水平轴线不同纵向距离的新型人工电磁材料在一个单元距离的相位变化，h线（点画线）表现了离透镜水平轴线不同纵向距离的新型人工电磁材料单元的槽深，也即U型金属片的槽深。
通过这样在不同行的新型人工电磁材料单元中采用不同的槽深，实现对表面等离激元的相位控制。
对比图4a和图4b可见：仿真的近场分布与测试的近场分布具有很好的吻合。
总之，为了实现在微波、毫米波和太赫兹波段对表面等离激元进行调控，本发明提利用人工电磁材料特有的电磁响应，使得表面等离激元能够在微波、毫米波和太赫兹波段传播；并利用其可以任意调控电磁波的特性，实现了透镜对表面等离激元的相位调控。通过结构参数包括结构单元的长度和宽度，槽深，槽深的渐变规律，单元的排布规律等）的缩放，该透镜适用于微波，毫米波和太赫兹波等不同频段。
本发明通过在空间内填充符合几何光学理论或者光学变换理论的具有一定分布规律的人工电磁材料，并通过其的空间导波作用，控制在材料中的波的相位，实现透镜定向传输或汇聚。此外，光学变换还可以自由控制透镜的外形，从而获得小体积易集成的透镜透镜阵列，以满足不同系统的具体要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于人工电磁材料的表面等离激元透镜，其特征在于，包括衬底（1）以及设置在所述衬底上的、由周期性排布的结构单元组成的表面金属结构（2），所述表面金属结构成轴对称，所述结构单元包括U型金属片（3），且U型金属片的槽深沿对称轴向外侧渐变；
若干个U型金属片沿平行于对称轴的方向排列成多行；位于同一行的U型金属片的槽深相等；位于同一行的U型金属片的间距相等；相邻行的行间距相等；位于不同行上的U型金属片的槽深不同，槽深从靠近对称轴处向远离对称轴处逐渐减小, 透镜的表面折射率两边渐变分布，组成透镜的金属片单元能够支持TE模式的表面波。
2.如权利要求1所述的基于人工电磁材料的表面等离激元透镜，其特征在于，所述衬底为采用聚四氟乙烯制作的介质板。
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