CN104020623B - 一种基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器 - Google Patents

Abstract

本发明属于新型人工电磁材料技术领域，具体涉及一种实现对电磁波传输控制，尤其是控制交叉偏振态的传输，能够控制交叉偏振态的传输方向，利用人工电磁材料实现波束方向控制的基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器。基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器，包括双人工电磁材料层和介质层，双层人工电磁材料位于介质层两侧，介质层位于中间作为间隔层来支撑双层人工电磁材料层；两层人工电磁材料层由周期性排列的人工电磁材料超晶胞构成，每个人工电磁材料超晶胞包含8个子单元结构。本发明实现交叉偏振传输，可使出射电磁波偏转、灵活控制电磁波束的出射角度，具有较宽的工作频率范围。

Description

一种基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料技术领域，具体涉及一种实现对电磁波传输控制，尤其是控制交叉偏振态的传输，能够控制交叉偏振态的传输方向，利用人工电磁材料实现波束方向控制的基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器。

背景技术

新型人工电磁材料(Metamaterials)是人工设计的一种具有天然媒质所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合媒质。人工电磁材料的研究迅速成为国际上的一个研究热点，引起了学术界的广泛关注，被美国《Science》杂志评为2003年的十大科技突破之一。

新型人工电磁材料的结构单元的尺度在亚波长量级，可以实现天然材料所没有的电磁特性，其电磁特性主要是由结构而不是由其构成材料所决定。通过新型人工电磁材料对电磁波的响应，我们可以利用新型人工电磁材料任意控制电磁波传播的方式。新型人工电磁材料可以超越自然界的自然材料，可以让穿过它的电磁波发生极化的旋转，甚至可以实现“隐身衣”，让电磁波像流水一样绕过物体，实现隐身功能。自被发现之后，新型人工电磁材料因其特殊的性质引起广泛的关注，不同的新型人工电磁材料有不同的特殊性质，具有非常广阔的应用前景。其中，超界面(metasurface)是新型人工电磁材料应用的一个重要领域，它通过巧妙的人工设计，使界面具有与传统界面不同的新特性，利用超界面可以实现对光波的任意控制。最吸引研究者目光的是梯度超表面，N.Yu利用界面横向的梯度设计，可以实现广义的折反射定律。利用梯度超表面陆续实现了双极性透镜、波束弯折、异常反射/折射、1/4波带片、行波-表面波的完美转换、全息成像以及光子自旋霍尔效应等，这些都体现了超表面的宏观序在奇异电磁调控中所扮演的重要角色。科学家们已经利用超界面来实现任意控制光波的偏振态和波前。利用超界面设计的光学器件具有轻薄的特点，在军事上具有重要的应用价值。

手性(Chirality)与人工电磁超材料结合后会出现巨大的旋光效应、电磁波的非对称传输等。2006年，Zheludev等人在平面手性新型人工电磁材料研究中发现了一个新的、重要的电磁学效应-圆转换二向色性，导致了宏观的非对称传输现象。2011年Zheludev提出了一种基于人工电磁材料的偏振谱滤波器(美国专利“Spectral filter”，公开号：US2011/0261441 A1)，利用单层新型人工电磁材料可实现交叉偏振滤波器。但此专利基于入射光角度来调制交叉偏振输出，且存在共偏振输出，电磁波出射方向为新型人工电磁材料的法线方向，因此该器件信噪比不高，且不能控制波束的出射方向。

本发明结合梯度相位超表面和偏振转换两方面的优势，通过超晶胞的梯度相位的设计，控制交叉偏振态的传输方向，本质上通过改变新型人工电磁材料结构单元横向相位变化，使 交叉偏振波的传输方向偏离法线方向，偏离角度依赖梯度相位设计和电磁波波长。通过改变每个子单元的尺寸等几何参数可以改变新型人工电磁材料的介电常数和磁导率，进而改变它的响应特性。双新型人工电磁材料的设计可以灵活控制出射波束的传输方向，为新型波束控制器件的实现开辟了新的途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，成本低廉的基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器。

本发明的目的是这样实现的：

基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器，包括双人工电磁材料层和介质层，双层人工电磁材料位于介质层两侧，介质层位于中间作为间隔层来支撑双层人工电磁材料层；两层人工电磁材料层由周期性排列的人工电磁材料超晶胞构成，每个人工电磁材料超晶胞包含8个子单元结构；每个子单元结构由金属层、空气弧及部分相变材料弧组成，两段长度不等的空气弧和相变材料弧构成两段弧长相等、拱形口相对的弧形结构，第一空气弧的圆心角为β，第二空气弧的圆心角为α，α＜β，第二空气弧弧长小于第一空气弧弧长的部分由部分相变材料弧补齐。

人工电磁材料超晶胞的前四个子单元与后四个子单元的旋向相反；两层人工电磁材料存在90度旋转角。

空气弧和部分相变材料弧是通过刻蚀覆于介质层表面的金属层获得，相变材料为二氧化钒。

第一空气弧的圆心角β不变，第二空气弧的圆心角α满足交叉偏振波的360度相位梯度。

人工电磁材料超晶胞所使用的金属材料为铜、金、铝。

介质层材料为聚酰亚胺材，介质层厚度为毫米量级。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器，利用具有90度旋转角的双层新型人工电磁材料层，实现交叉偏振传输，可使出射电磁波偏转、灵活控制电磁波束的出射角度，具有较宽的工作频率范围；该波束控制器件具有制造成本低，结构薄，设计简单，制造容易，价格低廉等特点。

附图说明

图1是波束方向控制器件的超晶胞结构示意图；

图2是新型人工电磁材料的子单元结构的示意图；

图3是波束方向控制器件的新型人工电磁材料层示意图；

图4是波束方向控制器件的工作原理图；

图5是有、无热致激发情况下波束方向控制器件透射幅值与偏转角度的关系曲线。

具体实施方式

本发明的实施过程和材料性能由实施例和附图进行更加详细的说明：

本发明是一种基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器，其特征是采用梯度相位双层新型人工电磁材料能够实现交叉偏振传输，且传输波的传输方向偏离法线，同时充分抑制共偏振传输，实现背景自由的波束方向控制。此人工电磁结构包括双新型人工电磁材料层和介质层，双新型人工电磁材料层位于介质层两侧，介质层位于双新型人工电磁材料层之间，来支撑双层人工电磁材料层。两层人工电磁材料层都由周期性排列的新型人工电磁材料超晶胞构成；每个超晶胞包含8个子单元结构，每个子单元结构具有非对称性；两层的超晶胞结构完全一样，但是存在旋转角，且前四个子单元与后四个子单元前后两层的旋向相反；新型人工电磁材料子单元结构包括金属层及空气弧和部分相变材料弧。利用温度的变化，调控相变材料的电导率，进而使其发生相变。该结构可以实现交叉偏振传输，利用梯度相位设计和入射电磁波波长可以控制输出波的传输方向，通过改变温度来控制透射波的偏转方向，并且透射波中只有交叉偏振波、无共偏振波，因此该结构的输出受到共偏振背景噪声的影响非常小，具有较高的信噪比。该器件对新型人工电磁材料的发展具有重要意义，为新型波前调整、波束方向控制等器件的发展提供了机遇。

采用梯度相位双层新型人工电磁材料能够实现交叉偏振传输，且传输波的传输方向偏离法线，同时充分抑制共偏振传输，实现背景自由的波束方向控制。两层人工电磁材料层都由周期性排列的新型人工电磁材料超晶胞构成，超晶胞结构实现了横向的相位梯度变化。该结构可以实现交叉偏振传输，利用梯度相位设计和入射电磁波波长可以控制输出波的传输方向，相变材料中载流子的热激发，导致相变材料从介质绝缘特性到金属导电特性的转变，从而控制透射波的偏转方向。并且透射波中只有交叉偏振波、无共偏振波，因此该结构的输出受到共偏振背景噪声的影响非常小，具有较高的信噪比。该器件对新型人工电磁材料的发展具有重要意义，为新型波前调整、波束方向控制等器件的发展提供了机遇。

本发明的技术方案为：

基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器包括介质层和双人工电磁材料层，其特点在于，作为间隔层来支撑双层人工电磁材料层的介质层位于双人工电磁材料层之间，采用的材料为PCB材料、聚酰亚胺材料(Polyimide)或与其性能相近的材料，其厚度为毫米量级；双人工电磁材料层分别位于介质层两侧的表面，金属结构采用性能优良的铜、金、铝等材料； 双层新型人工电磁材料的超晶胞的结构完全相同，每个超晶胞包含8个子单元，但2层间存在90度旋转角，且前四个子单元与后四个子单元的旋向相反。因为层间旋转角的存在，使得结构形成手性特征，实现交叉偏振传输；子单元具有非对称性，包含两段长度不等空气弧及部分相变材料弧，两段空气弧的圆心角α和β不相等；两段弧长不同的空气弧及相变材料弧是通过刻蚀覆于介质层表面的金属层获得，两段空气弧的圆心角分别为α和β，弧宽度为w＝R-r；新型人工电磁材料的周期为毫米量级。

该器件的工作原理为：

基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器免受背景噪声的影响，其背景自由依赖于2层非对称的超晶胞之间具有90度的结构旋转角，使所述器件具有手性性质，仅允许交叉偏振波通过新型人工电磁材料，充分抑制共偏振传输，具有较高的信噪比；梯度相位依赖于超晶胞中8个子单元的结构设计，子单元长弧的圆心角β保持不变，短弧的圆心角α是设计变量，满足交叉偏振波的相位梯度设计；波束方向控制则依赖于超晶胞的梯度相位的设计，进而控制交叉偏振态的传输方向，相变材料中载流子的热激发，实现相变材料弧从介质绝缘特性到金属导电特性的转变，从而控制透射波的偏转方向。原理为通过改变人工电磁材料结构单元横向相位变化，使交叉偏振波的传输方向偏离法线方向，偏离角度依赖梯度相位设计和电磁波波长。

实施例1：

基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器的超晶胞结构如图1和图2所示，包括介质层1和双人工电磁材料层2和3。介质层1位于双新型人工电磁材料层2和3之间，实施例中采用PCB材料，厚度t＝1.6mm。双人工电磁材料层2和3位于介质层1的表面，每一层都由周期排列的超晶胞构成，每个超晶胞包含8个子单元，后四个子单元与前四个子单元结构相似，只是层间旋转角不同；图2给出了新型人工电磁材料层2的前四个子单元的结构，每个子单元通过刻蚀覆于介质层1表面的金属层实现，亚周期a＝15mm，内嵌空气弧4和5以及相变材料弧6，空气弧4的圆心角为β，空气弧5的圆心角为α，空气弧5两侧为填充相变材料的相变材料弧6，其厚度与金属层相同，tm＝0.2mm。超晶胞内的梯度设计依赖于变化的圆心角α，空气弧4弧长不变，空气弧5的弧长逐步增大，即圆心角β不变，α变大。弧的内径和外径分别为r＝5.6mm和R＝6.4mm，弧宽度为w＝R-r＝0.8mm。空气弧4对应的圆心角β＝160°，空气弧5对应的圆心角α分别为α₁＝40°，α₂＝120°，α₃＝140°，α₄＝150°。新型人工电磁材料层2和3的子单元结构尺寸相同，但两层基本单元之间的结构旋转角为90°或者-90°，如图3所示。

下面再结合附图4来进一步说明实施方案，首先为波束方向控制器设置一个XYZ坐标轴 作为工作平台，Z轴垂直于波束方向控制器件的表面。如图4所示，Y方向的线偏振光7沿-Z方向垂直入射到上述波束方向控制器件表面后，输出偏离法线方向的交叉偏振光(x偏振光，T_xy)10，和法线方向的共偏振光(y偏振光，T_yy)9，令热源T作为热激发源，器件温度控制在相变温度68℃(340K)以上，此时入射到波束方向控制器件上的线偏振光7的交叉偏振输出光为8，且交叉偏振光远远强于共偏振光9，可以近似认为无共偏振光输出；新型人工电磁材料器件的微波能量透过率用表示，下标i、j分别代表透射光和入射光的偏振态，上标+和-分别代表有热致激发和无热致激发(注：表示无热致激发情况下，输入的Y偏振光转化为X偏振输出光的系数)。图5所示为波束方向控制器件的交叉偏振透射强度输出曲线，图5中看出透射波只有T_xy而没有T_yy，实现了交叉偏振传输而没有共偏振；透射强度随偏转角度变化而变化，并且有无热激励时透射波的偏转方向是相反的。由此可以看出，透射波经过新型人工电磁材料器件后发生了偏转，偏离了Z轴。

这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器，包括双人工电磁材料层和介质层，其特征在于：双层人工电磁材料位于介质层两侧，介质层位于中间作为间隔层来支撑双层人工电磁材料层；两层人工电磁材料层由周期性排列的人工电磁材料超晶胞构成，每个人工电磁材料超晶胞包含8个子单元结构；每个子单元结构由金属层、空气弧及部分相变材料弧组成，两段长度不等的空气弧和相变材料弧构成两段弧长相等、拱形口相对的弧形结构，第一空气弧的圆心角为β，第二空气弧的圆心角为α，α＜β，第二空气弧弧长小于第一空气弧弧长的部分由部分相变材料弧补齐,2层非对称的超晶胞之间具有90度的结构旋转角。

2.根据权利要求1所述的一种基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器，其特征在于：所述的人工电磁材料超晶胞的前四个子单元与后四个子单元的旋向相反；两层人工电磁材料存在90度旋转角。

3.根据权利要求2所述的一种基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器，其特征在于：所述的空气弧和部分相变材料弧是通过刻蚀覆于介质层表面的金属层获得，相变材料为二氧化钒。

4.根据权利要求3所述的一种基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器，其特征在于：所述的第一空气弧的圆心角β不变，第二空气弧的圆心角α满足交叉偏振波的360度相位梯度。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器，其特征在于：所述的人工电磁材料超晶胞所使用的金属材料为铜、金、铝。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种基于分裂环结构、背景自由的波束方向控制器，其特征在于：所述的介质层材料为PCB或聚酰亚胺材，介质层厚度为毫米量级。