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Title:
METAMATERIAL FOR DIVERGING ELECTROMAGNETIC BEAM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/142836
Kind Code:
A1
Abstract:
Provided in the present invention is a metamaterial for diverging an electromagnetic beam. The metamaterial has attached to a substrate thereof two artificial microstructures. The direction of the optical axis of the first artificial microstructure is parallel to the direction of a first electric field. The direction of the optical axis of the second artificial microstructure is parallel to the direction of a second electric field. The metamaterial comprises a first region and a second region. Geometric dimensions of the first artificial microstructure are at maximum within the first region, and the geometric dimensions of the first artificial microstructure at all other regions increase continuously in the direction towards the first region. Geometric dimensions of the second artificial microstructure are at maximum within the second region, and the geometric dimension of the second artificial microstructure at all other regions increase continuously in the direction towards the second region. On the basis of a response of the artificial microstructures towards the electric fields, a principle related to the structure of the artificial microstructures, and the principle of electromagnetic wave deflection by non-uniform metamaterial, the metamaterial of the present invention allows for divergence of electromagnetic wave, for flexible control of the angle of emergence of the diverged electromagnetic beam, and for divergence of large-area electromagnetic beam.

Inventors:
LIU, Ruopeng (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
刘若鹏 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
XU, Guanxiong (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
Application Number:
CN2011/083039
Publication Date:
October 26, 2012
Filing Date:
November 28, 2011
Export Citation:
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Assignee:
KUANG-CHI INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
深圳光启高等理工研究院 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
KUANG-CHI INNOVATIVE TECHNOLOGY LTD. (18B Block A, CIC International Business CenterNo.1061 of XiangMei Road, Futian Distric, Shenzhen Guangdong 4, 518034, CN)
深圳光启创新技术有限公司 (中国广东省深圳市福田区香梅路1061号中投国际商务中心A栋18B, Guangdong 4, 518034, CN)
LIU, Ruopeng (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
International Classes:
H01Q15/02
Domestic Patent References:
WO2008121159A22008-10-09
Foreign References:
CN101573837A2009-11-04
CN101587990A2009-11-25
US20100301971A12010-12-02
US20090160718A12009-06-25
Other References:
See also references of EP 2701237A4
None
Attorney, Agent or Firm:
CHINA WISPRO INTELLECTUAL PROPERTY LLP. (Room A806, Zhongdi Building China University of Geosciences Base,No.8 Yuexing 3rd Road, High-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
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Claims:
权 利 要 求

1、 一种分离电磁波束的超材料, 用于将具有正交电场的两种入射电磁波 分离, 其特征在于, 所述超材料包括至少一个超材料片层, 所述超材料片层 包括基板、 阵列设置在所述基板上的第一人造微结构和第二人造微结构, 每 个第一人造微结构的光学主轴方向与第一电场方向平行, 每个第二人造微结 构的光学主轴方向与第二电场方向平行, 所述超材料包括第一区域和第二区 域, 在所述第一区域内的第一人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第一 人造微结构的几何尺寸向第一区域方向连续增大, 在所述第二区域内的第二 人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第二人造微结构的几何尺寸向第二 区域方向连续增大, 所述第一人造微结构和第二人造微结构分别阵列设置在 所述基板的两相对表面上,所述第一人造微结构和第二人造微结构为非 90度 旋转轴对称结构, 所述第一人造微结构为"工,,字形或 "王"字形, 所述第二人 造微结构为' Ή"形。

2、 根据权利要求 1所述的分离电磁波束的超材料, 其特征在于, 每个所 述第一人造微结构和第二人造微结构均为包括至少一根金属丝的平面结构或 立体结构。

3、 根据权利要求 1所述的分离电磁波束的超材料, 其特征在于, 所述超 材料包括多个介电常数非均勾分布的超材料片层沿垂直于所述片层表面方向 堆叠成为一体。

4、 一种分离电磁波束的超材料, 用于将具有正交电场的两种入射电磁波 分离, 其特征在于, 所述超材料包括至少一个超材料片层, 所述超材料片层 包括基板、 阵列设置在所述基板上的第一人造微结构和第二人造微结构, 每 个第一人造微结构的光学主轴方向与第一电场方向平行, 每个第二人造微结 构的光学主轴方向与第二电场方向平行, 所述超材料包括第一区域和第二区 域, 在所述第一区域内的第一人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第一 人造微结构的几何尺寸向第一区域方向连续增大, 在所述第二区域内的第二 人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第二人造微结构的几何尺寸向第二 区域方向连续增大。

5、 根据权利要求 4所述的分离电磁波束的超材料, 其特征在于, 所述第 一人造微结构和第二人造微结构分别阵列设置在所述基板的两相对表面上。

6、 根据权利要求 4所述的分离电磁波束的超材料, 其特征在于, 所述超 材料包括多个介电常数非均勾分布的超材料片层沿垂直于所述片层表面方向 堆叠成为一体。

7、 根据权利要求 4所述的分离电磁波束的超材料, 其特征在于, 每个所 述第一人造微结构和第二人造微结构均为包括至少一根金属丝的平面结构或 立体结构。

8、 根据权利要求 7所述的分离电磁波束的超材料, 其特征在于, 所述金 属丝为铜丝或银丝。

9、 根据权利要求 7所述的分离电磁波束的超材料, 其特征在于, 所述金 属线通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

10、 根据权利要求 4所述的分离电磁波束的超材料, 其特征在于, 所述 基板的制造材料包括高分子材料、 陶瓷材料、 铁电材料、 铁氧材料或铁磁材 料。

11、 根据权利要求 4所述的分离电磁波束的超材料, 其特征在于, 所述 第一人造微结构和第二人造微结构为非 90度旋转轴对称结构。

12、 根据权利要求 11所述的分离电磁波束的超材料, 其特征在于, 所述 第一人造微结构为 "工,,字形或"王,,字形。

13、 根据权利要求 11所述的分离电磁波束的超材料, 其特征在于, 所述 第二人造微结构为 "H"形。

Description:
分离电磁波束的超材料

【技术领域】

本发明涉及超材料领域, 尤其涉及一种分离电磁波束的超材料。 【背景技术】

超材料是由非金属材料制成的基板和附着在基 板表面上或嵌入在基板 内部的多个人造微结构构成的。人造微结构是 至少一根金属丝组成的平面结 构或立体结构。 每个人造微结构及其附着的部分基板构成一个 超材料单元, 整个超材料即是由数十万、 百万甚至上亿的这样的超材料单元组成的, 就像 晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的, 每个晶格即相当于上述的人造 微结构及基板构成的超材料单元。

由于人造微结构的存在,每个上述单元整体具 有一个等效的介电常数和 磁导率, 因此所有的单元构成的超材料对电场和磁场呈 现出特殊的响应特 性; 同时, 对人造微结构设计不同的具体结构和尺寸, 可改变其单元的介电 常数和磁导率, 进而改变整个超材料的响应特性。

现有技术中,要实现分离电磁波束,需要使用 某些单轴晶体,如方解石、 石英等, 由于这些晶体大都是天然的, 对电磁波的响应特性也是固定的, 所 以无法灵活控制分离的电磁波束的出射角度, 应用范围较窄、 不够灵活。 而 且天然晶体的尺寸有限, 人工制造晶体通常也很难做得很大, 如果将多个制 得的晶体拼接或粘合从而制成较大的晶体,其 结合面或粘合面上的折射和反 射会影响电磁波束分离的效果。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种分离电 磁波束的超材料, 可灵活 控制电磁波束的出射角度、 可实现大面积电磁波束的分离。 本发明提供一种分离电磁波束的超材料, 用于将具有正交电场的两种入 射电磁波分离, 超材料包括至少一个超材料片层, 超材料片层包括基板、 阵 列设置在基板上的第一人造微结构和第二人造 微结构, 每个第一人造微结构 的光学主轴方向与第一电场方向平行, 每个第二人造微结构的光学主轴方向 与第二电场方向平行, 超材料包括第一区域和第二区域, 在第一区域内的第 一人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第 一人造微结构的几何尺寸向第 一区域方向连续增大, 在第二区域内的第二人造微结构的几何尺寸最 大且其 他各处的第二人造微结构的几何尺寸向第二区 域方向连续增大, 第一人造微 结构和第二人造微结构分别阵列设置在基板的 两相对表面上, 第一人造微结 构和第二人造微结构为非 90度旋转轴对称结构, 第一人造微结构为"工,,字形 或"王"字形, 第二人造微结构为' Ή"形。

根据本发明一优选实施例, 每个第一人造微结构和第二人造微结构均为 包括至少一根金属丝的平面结构或立体结构。

根据本发明一优选实施例, 超材料包括多个介电常数非均勾分布的超材 料片层沿垂直于片层表面方向堆叠成为一体。

本发明提供一种分离电磁波束的超材料, 用于将具有正交电场的两种入 射电磁波分离, 超材料包括至少一个超材料片层, 超材料片层包括基板、 阵 列设置在基板上的第一人造微结构和第二人造 微结构, 每个第一人造微结构 的光学主轴方向与第一电场方向平行, 每个第二人造微结构的光学主轴方向 与第二电场方向平行, 超材料包括第一区域和第二区域, 在第一区域内的第 一人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第 一人造微结构的几何尺寸向第 一区域方向连续增大, 在第二区域内的第二人造微结构的几何尺寸最 大且其 他各处的第二人造微结构的几何尺寸向第二区 域方向连续增大。

根据本发明一优选实施例, 第一人造微结构和第二人造微结构分别阵列 设置在基板的两相对表面上。

根据本发明一优选实施例, 超材料包括多个介电常数非均勾分布的超材 料片层沿垂直于片层表面方向堆叠成为一体。

根据本发明一优选实施例, 每个第一人造微结构和第二人造微结构均为 包括至少一根金属丝的平面结构或立体结构。

根据本发明一优选实施例, 金属丝为铜丝或银丝。

根据本发明一优选实施例, 金属线通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子 刻或离子刻的方法附着在基板上。

根据本发明一优选实施例 ,基板的制造材料包括高分子材料、陶瓷材料 铁电材料、 铁氧材料或铁磁材料。

根据本发明一优选实施例,第一人造微结构和 第二人造微结构为非 90度 旋转轴对称结构。

根据本发明一优选实施例, 第一人造微结构为"工"字形或 "王"字形。 根据本发明一优选实施例, 第二人造微结构为 "H"形。

上述技术方案至少具有如下有益效果: 本发明的超材料根据人造微结构 对电场的响应与其结构有关的原理以及非均匀 超材料偏折电磁波的原理, 可 使入射电磁波分离、 可灵活控制分离后电磁波束的出射角度并且可 实现大面 积电磁波束的分离。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案 , 下面将对实施例描述中 所需要使用的附图作简单地介绍, 显而易见地, 下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例, 对于本领域普通技术人员来讲, 在不付出创造性劳动的 前提下, 还可以根据这些附图获得其他的附图。 其中:

图 1是本发明实施例的分离波束的超材料的第一 施例的结构示意图; 图 2是本发明的第二实施例的超材料单元的结构 意图;

图 3是由多个图 2所示超材料单元阵列构成的分离波束的超材 的结构 示意图; 图 4是图 3所示的分离波束的超材料的正视图;

图 5是图 3所示的分离波束的超材料的后视图;

图 6是本发明实施例的分离波束的超材料的应用 意图。

【具体实施方式】

本发明的分离电磁波束的超材料 10 用于将具有正交电场的两种入射电 磁波分离, 如图 1 所示为该超材料 10 的第一实施例的结构示意图。 超材料 10包括至少一个超材料片层 3 , 这些超材料片层 3之间等间距地排列组装, 或两两片层之间直接前、 后表面相接触堆叠成一体。 每个超材料片层 3进一 步包括前后表面平行的片状基板 1、 阵列设置在基板 1 上的第一人造微结构 21和第二人造微结构 22。

第一人造微结构 21和第二人造微结构 22为包括至少一根金属丝的平面 结构或立体结构, 第一人造微结构 21和第二人造微结构 22分别与其所附着 的基板 1 所占部分一起构成一个超材料单元 4。 基板 1可为任何与第一人造 微结构 21和第二人造微结构 22不同的材料, 这两种材料的叠加使每个超材 料单元 4产生一个等效介电常数与磁导率, 这两个物理参数分别对应了超材 料单元 4的电场响应与磁场响应, 因此可对电磁场产生不同的响应。

要使具有正交电场的两种电磁波分离, 必须具备两个条件, 其一是超材 料 10附着有分别对两种电场具有响应的人造微结 。人造微结构对电场有响 应, 则要求人造微结构的光学主轴方向与电场方向 平行, 即人造微结构的在 电场方向上必须有投影且投影不是点, 是具有长度的一线段。 例如当电场为 竖直方向时, 若人造微结构为水平方向上的一条平直金属丝 , 则该人造微结 构在竖直方向上的投影不是一具有长度的线段 , 因而不能对电场产生响应; 若人造微结构为竖直方向上的金属丝, 则该人造微结构能对电场产生响应。

本实施例中超材料 10所附着的每个第一人造微结构 21的光学主轴方向 为竖直方向与竖直的第一电场方向平行,每个 第二人造微结构 22的光学主轴 方向为水平方向与水平的第二电场方向平行。 所以第一人造微结构 21对第一 电场有响应, 第二人造微结构 22对第二电场有响应。

使具有正交电场的两种电磁波分离的另一必要 条件是超材料 10可以使 射入的两种电磁波向不同方向偏折。当一束电 磁波由一种介质传播到另外一 种介质时, 电磁波会发生折射, 当物质内部的折射率分布非均勾时, 电磁波 就会向折射率比较大的位置偏折, 电磁波的折射率与 成正比关系, 因 而通过改变介电常数 ε或磁导率 μ在材料中的分布,就可达到改变电磁波的 传播路径的目的。

超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特 征所决定, 而人造微结构 的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案 所具有的拓朴特征和其几何尺 寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每 个第一人造微结构 21和第二人 造微结构 22 的图案和几何尺寸, 就可对超材料中每一点的电磁参数进行设 定, 进而实现入射的具有正交电场的两种电磁波分 离。

满足上述两个必备条件的第一人造微结构 21和第二人造微结构 22有很 多种可实现方式。 图 1所示的第一人造微结构 21和第二人造微结构 22为非 90度旋转轴对称结构。 第一人造微结构 21为"工,,字形, 包括竖直的第一金属 丝和分别连接在第一金属丝两端且垂直于第一 金属丝的第二金属丝, 第一金 属丝的长度为 L1 , 第二金属丝的长度为 L2且满足 L1»L2 , 第一人造微结构 21的光学主轴与竖直的第一电场方向平行, 所以对竖直方向的电场有响应。 第二人造微结构 22为' Ή"形, 包括水平的第三金属丝和分别连接在第三金属 丝两端且垂直于第三金属丝的第四金属丝, 第三金属丝的长度为 L3 , 第四金 属丝的长度为 L4且满足 L3»L4 ,第二人造微结构 22的光学主轴与水平的第 二电场方向平行, 所以对水平方向的电场有响应。

如图 1所示超材料 10包括第一区域 5和第二区域 6 , 在第一区域 5内的 第一人造微结构 21的几何尺寸最大, 其他各处的第一人造微结构 21的几何 尺寸向第一区域 5方向连续增大。在第二区域 6内的第二人造微结构 22的几 何尺寸最大,其他各处的第二人造微结构 22的几何尺寸向第二区域 6方向连 续增大。 当一束具有正交电场的两种电磁波经过该超材 料 10时, 第一人造微 结构 21对竖直电场具有响应,具有竖直电场方向的 磁波向第一区域 5方向 偏折出射; 第二人造微结构 22对水平电场具有响应, 具有水平电场方向的电 磁波向第二区域 6方向偏折出射, 进而实现了两种电磁波的分离。 通过不同 尺寸大小的第一人造微结构 21和第二人造微结构 22的不同排布可实现不同 的出射效果。

图 3是本发明的超材料 10的第二实施例的结构示意图,本实施例中超 料 10由多个超材料单元 4阵列形成, 图 2所示为该超材料 10的超材料单元 4的一实施例的示意图。 在本实施例中第一人造微结构 21和第二人造微结构 22分别阵列设置在基板 1的两相对侧表面上。 在图 3所示实施例中除了第一 人造微结构 21和第二人造微结构 22分别设置在相对侧面上与图 1所示实施 例中第一人造微结构 21和第二人造微结构 22设置在基板 1 同一侧面上这一 点不同之外, 第一人造微结构 21和第二人造微结构 22的排布规律等均与之 相同。 图 4和图 5分别是图 3所示的超材料 10的正视图和后视图。 本实施例 中超材料 10包括第一区域 5和第二区域 6 , 在第一区域 5内的第一人造微结 构 21的几何尺寸最大, 其他各处的第一人造微结构 21的几何尺寸向第一区 域 5方向连续增大。 在第二区域 6内的第二人造微结构 22的几何尺寸最大, 其他各处的第二人造微结构 22的几何尺寸向第二区域 6方向连续增大。 当一 束具有正交电场的两种电磁波经过该超材料 10时, 第一人造微结构 21对竖 直电场具有响应, 具有竖直电场方向的电磁波向第一区域 5方向偏折出射; 第二人造微结构 22对水平电场具有响应,具有水平电场方向的 磁波向第二 区域 6方向偏折出射, 进而实现了两种电磁波的分离。 通过不同尺寸大小的 第一人造微结构 21和第二人造微结构 22的不同排布可实现不同的出射效果。

具体实施时, 人造微结构包括至少一根铜丝或者银丝等金属 丝, 具有特 定图形。 金属线通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻等多种方法 附着在基板 1 上。 其中蚀刻是较优的制造工艺, 其步骤是在设计好合适的人 造微结构的平面图案后, 先将一张金属箔片整体地附着在基板 1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微结构。 基板 1 的制造材料包括 高分子材料、 陶瓷材料、 铁电材料、 铁氧材料或铁磁材料, 高分子材料可釆 用聚四氟乙烯、 Fr4或 F4b等。

图 6所示为本发明的分离波束的超材料的应用示 图。 本发明的超材料 10通过在基板 1上设置分别对两正交电场具有响应的两种人 微结构, 并通 过对第一人造微结构 21和第二人造微结构 22的排布进行设计, 可实现两种 电磁波的不同出射效果, 进而实现两种电磁波束的分离。

以上所述是本发明的具体实施方式, 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, 这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。