【技术领域】

本发明涉及电磁通讯领域， 更具体地说， 涉及一种利用超材料制成的电磁 波元件。

【背景技术】

超材料是一种新型材料， 是由非金属材料制成的基材和附着在基材表面 上或 嵌入在基材内部的多个人造微结构构成的。 人造微结构是组成一定几何图形的 圆柱形或扁平状金属丝， 例如组成圆环形、 I形的金属丝等。 每个人造微结构及 其附着或占据的部分基材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材构 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形状， 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。

对于现有的材料， 要实现电磁波的平移； 或者对于对于两束入射的平行电磁 波， 当需要使其汇聚从而使得能量增强而不改变其 传播方向； 或者对于一束入 射的平行电磁波， 当需要使其分裂而不改变其传播方向； 自然界的材料和现有 的其他人造材料都不能实现这些功能， 人们只能着眼于上述超材料来实现。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于， 针对现有技术不能实现电磁波平移或者不改 变其传播方向的前提下汇聚或者不能实现电磁 波不改变其传播方向的前提下分 裂的缺陷， 提供一种超材料制成的电磁波元件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提 出一种电磁波元件， 其包括至 少一个超材料片层， 每个片层包括片状的基材和附着在所述基材上 的多个人造 微结构；

每个所述人造微结构为非 90度旋转对称结构， 使得整个所述电磁波元件呈 各向异性； 每个人造微结构的折射率椭球完全相同， 且各个折射率椭球的非寻 常光光轴相互平行， 各个非寻常光轴均不垂直且不平行于入射电磁 波的传播方 向， 从而使得所述电磁波元件的光学主轴不垂直且 不平行于入射电磁波的传播 方向。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述多个人造微结构均相同且相互平行地均 匀排布在所述基材上， 使得其折射率椭球大小相同且非寻常光光轴相 互平行。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述电磁波元件包括多个超材料片层， 所述 多个超材料片层沿垂直于所述超材料片层表面 的方向堆叠成为一体。

在本发明所述的电磁波元件中， 每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组 成的具有几何图案的平面或立体结构。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述人造微结构为 "工"字形、 "十"字形 或椭圆环形。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述人造微结构为三角形、 非正方形的四边 形或不规则闭合曲线。

本发明解决其技术问题所采用的另技术方案是 提出一种电磁波元件， 其包括 至少一个超材料片层， 每个片层包括片状的非金属的基材， 每个基材划分为多 个完全相同且阵列排布的立方体的基材单元， 每个基材单元上附着有一个人造 微结构；

每行基材单元上的人造微结构具有相等的折射 率椭球且折射率椭球相互平 行；

每列基材单元上的人造微结构具有相同的折射 率椭球且折射率椭球的非寻 常光光轴依次顺时针或逆时针旋转， 且该列的最后一个非寻常光光轴相对于第 一个非寻常光光轴的旋转角度不超过 180度， 使得每列的折射率椭球的非寻常 光光轴位于每行基材单元中心连线的法线的同 一侧。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述人造微结构以平行于每行基材单元中心 连线的平面为分界面被分为多个第一人造微结 构和多个第二人造微结构， 且二 者的非寻常光光轴的延长线与所述分界面相交 所形成的两个线段位于所述分界 面的法线的同一侧。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述多个第一人造微结构与多个第二人造微 结构以所述分界面为对称面一一对称。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述分界面所处的基材单元上的人造微结构 其折射率椭球的非寻常光光轴垂直于所述分界 面。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述人造微结构具有相同的几何形状和尺 寸， 使得其折射率椭球相等。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述第一、 第二人造微结构的折射率椭球的 非寻常光光轴延长至与所述分界面相交而形成 一个夹角， 所述夹角的开口方向 与入射电磁波的传播方向相反。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述电磁波元件包括多个超材料片层， 所述 多个超材料片层沿垂直于所述超材料片层表面 的方向堆叠为一体结构。

本发明解决其技术问题所采用的另技术方案是 提出一种电磁波元件， 其包括 至少一个超材料片层， 每个片层包括片状的非金属的基材、 附着在所述基材上 的多个人造微结构；

所述人造微结构以一垂直于所述片状基材的平 面为分界面被分为第一人造 微结构和第二人造微结构；

所述第一人造微结构 /第二人造微结构有多个， 且具有相同的折射率椭球， 同 时折射率椭球的非寻常光光轴相互平行；

每个所述第一人造微结构和第二人造微结构均 为非 90度旋转对称结构， 二 者的折射率椭球的非寻常光光轴的夹角不为零 或 180度， 且位于所述分界面法 线的同一侧。 在本发明所述的电磁波元件中，所述多个第一 人造微结构 /多个第二人造微结 构具有相同的几何形状且相互平行地均匀排布 ， 使得其折射率椭球相同且非寻 常光光轴相互平行。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述第一人造微结构和第二人造微结构以所 述分界面为对称面对称。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方 向一致。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述电磁波分裂元件包括多个超材料片层， 所述多个超材料片层沿垂直于所述超材料片层 表面的方向堆叠为一体结构。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述人造微结构为轴对称结构， 其对称轴不 垂直且不平行于所述分界面。

在本发明所述的电磁波元件中， 所述人造微结构为非对称结构。

实施本发明的电磁波元件， 具有以下有益效果： 由于采用完全相同的多个超 材料片层叠加而成， 每个超材料片层可以设计相同的人造微结构， 因此加工和 设计上非常简便， 且通过叠加足够多的片层可制得足够大的尺寸 ， 以满足各种 极端应用条件的需求。 每个人造微结构设计成各向异性且其折射率椭 球的非寻 常光光轴 方向与需要响应的入射电磁波方向不垂直且不 平行即可。

【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是本发明的电磁波元件的第一实施例的结构� �意图；

图 2是图 1所示实施例的其中一个人造微结构的主视图� �

图 3是本发明电磁波元件第二实施例的主视图； 图 4是本发明电磁波元件第三实施例的主视图；

图 5是本发明电磁波元件第四实施例的主视图；

图 6是本发明电磁波元件第五实施例的主视图；

图 7是本发明电磁波元件第六实施例中超材料单� �的结构示意图； 图 8是由图 7所示超材料单元阵列构成的超材料片层的结� �示意图； 图 9是由多个图 8所示超材料片层堆叠构成的电磁波元件的结� �示意图; 图 10是本发明的电磁波元件的第七实施例的结构� ��意图；

图 11是本发明电磁波元件另一实施例中的人造微� ��构的结构示意图； 图 12是本发明电磁波元件另一实施例中的人造微� ��构的结构示意图； 图 13是本发明电磁波元件另一实施例中的人造微� ��构的结构示意图； 图 14是本发明电磁波元件另一实施例中的人造微� ��构的结构示意图； 图 15是图 10所示实施例的各个人造微结构对应的折射率� ��球的结构示 图；

图 16是图 10所示实施例中的一对人造微结构对电磁波的� ��折示意图； 图 17是是图 10所示实施例的各个人造微结构对应的波传播� ��球的结构 意图；

图 18是本发明的电磁波元件的第八实施例的结构� ��意图；

图 19是图 18所示实施例的其中一个第二人造微结构的结� ��示意图； 图 20是本发明电磁波元件另一实施例的人造微结� ��的结构示意图； 图 21是本发明电磁波元件另一实施例的人造微结� ��的结构示意图； 图 22是本发明电磁波元件另一实施例的人造微结� ��的结构示意图； 图 23是本发明电磁波元件另一实施例的人造微结� ��的结构示意图。

【具体实施方式】

本发明实施例中电磁波元件的第一实施例如下 ：

本实施例涉及一种电磁波元件， 可使电磁波相对于入射方向平移一段距 如图 1 所示， 本发明的电磁波元件由一个或多个厚度相同的 超材料片层构 成， 这些超材料片层之间等间距排列地组装， 或两两片层之间直接前、 后表面 相粘合地连接成一体。 每个超材料片层包括前后表面平行从而成等厚 片状的基 材 1，还包括附着在基材 1前表面上或嵌在每片基材 1内部的多个阵列排布的人 造微结构 2。

这些人造微结构 2均匀分布在基材 1表面上。 这里的均匀分布是指， 任一 人造微结构 2与其周围几个人造微结构 2之间的间隔距离，和其他人造微结构 2 与其周围几个人造微结构 2 之间的间隔距离都是相同的， 换句话说， 也就是每 个人造微结构 2所占据的基材 1体积是相同的。

每个人造微结构 2是由细而薄的金属丝组成的， 这些金属丝在基材 1前表 面上或基材 1 内部组成一定的几何形状， 与所附着占据的基材 1部分一起构成 一个超材料单元 4，这个超材料单元 4具有不同于附着基材 1的等效介电常数和 等效磁导率， 因此可对电磁场产生不同的响应。 超材料片层是由多个这样的完 全相同的超材料单元 4无缝结合起来的， 通过所有超材料单元 4的共同响应， 使整个元件实现对电磁波的平移。

要使电磁波平移， 必须具备两个条件， 其一是元件整体对电磁波呈均质且 各向异性。 由于整个元件是由规则排布的超材料片层组成 的， 片层的分布是均 匀且平行的， 而每个片层上的人造微结构 2 的分布也是均匀的， 因此， 只要每 个人造微结构 2 自身的结构为各向异性， 则元件整体就会对电磁波呈现各向异 性的特征； 若人造微结构 2 为各向同性结构， 则元件整体对电磁波体现出各向 同性的特征。 要实现元件对电磁波来说是均质的， 即要求每个人造微结构 2对 电磁波的响应是相同的， 也即每个人造微结构 2对电磁波的折射率椭球 5是相 同的， 也即每个折射率椭球 5形状相同， 大小相等。

对于平面结构的人造微结构 2， 这里的各向同性， 是指对于在该二维平面上 以任一角度入射的任一电磁波， 上述人造微结构 2在该平面上的电场响应和磁 场响应均相同， 也即介电常数和磁导率相同； 对于三维结构的人造微结构 2， 各 向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射 的电磁波，每个上述人造微结构 2 在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。 当人造微结构 2为 90度旋转对称 结构时， 人造微结构 2即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构， 90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该� ��面的 旋转轴任意旋转 90度后与原结构重合； 对于三维结构， 如果具有两两垂直且共 交点的 3条旋转轴， 使得该结构绕任一旋转轴旋转 90度后均与原结构重合或者 与原结构以一对称面对称， 则该结构为 90度旋转对称结构。 因此， 要实现各向 异性， 则本发明的人造微结构 2不能为 90度旋转对称结构。

电磁波平移的另一必要条件是整个元件的光学 主轴必然不平行且不垂直于 入射电磁波的传播方向。 本实施例中， 电磁波平行于基材 1 前表面地入射到超 材料片层的一侧边缘， 多个超材料片层沿垂直于其前表面的方向堆叠 粘合， 使 得多个侧边缘合并构成入射电磁波的入射表面 。

同样， 由于超材料片层均匀规则排布， 每个人造微结构 2 也均匀排列， 因 此， 要使整个元件的光学主轴不垂直且不平行于入 射电磁波的传播方向， 本实 施例中，必须使每个超材料单元 4的折射率椭球 5的非寻常光光轴 n _e 相互平行， 且每个非寻常光光轴 均不垂直且不平行于所述入射表面， 与折射率椭球 5的 非寻常光光轴 平行的方向即为该元件的光学主轴方向。

非寻常光光轴 为折射率椭球 5的长轴方向，寻常光光轴 n。为其短轴方向。 由于超材料单元 4的基材选用的是普通天然材料， 通常为各向同性的均质材料， 因此， 其折射率特征为圆球， 对超材料单元 4 的折射率特征没有影响， 故而只 要人造微结构 2的折射率椭球 5的非寻常光光轴不垂直且不平行于所述入射� � 面即可。 当基材不是普通的各向同性且均质的材料， 则本文的折射率椭球均指 人造微结构 2和所附着的基材部分的折射率特性二者叠加� �对应的折射率椭球， 也即超材料单元 4的折射率椭球 5。

折射率椭球用来表示折射率特性， 对于任一给定的超材料单元 4， 可通过现 有技术的模拟仿真软件和计算方法算出来， 例如参考文献 Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials , D. R. Smith, D. C. Vier, T. Koschny, C. M. Soukoulis, Physical Review E 71, 036617 (2005) 。

综上所述，要实现平移，必须使每个人造微结 构 2具有相同的折射率椭球 5， 且每个折射率椭球 5的非寻常光光轴 n _e 相互平行同时均不垂直且不平行于电磁 波入射方向。 这里的每个人造微结构 2 可以相同， 也可以不同， 均可通过设计 来实现。 为了便于制造， 本发明的优选实施例中， 各个人造微结构 2完全相同， 且相互均匀且平行地排布， 调整元件使得各折射率椭球 5的非寻常光光轴 n _e 不 垂直且不平行于入射方向， 即可满足上述条件， 实现平移。 这里的相互平行是 指， 每个人造微结构 2上任意两点的连线， 与另一个人造微结构 2上相应两点 的连线平行， 或者说， 每个人造微结构 2都可通过水平和竖直移动最终与任意 另一人造微结构 2重合。

对于图 1所示实施例中的超材料单元 4， 其折射率椭球 5的寻常光光轴 n。、 非寻常光光轴 如图 2中所示。 假定坐标原点在折射率椭球 5的中心上， 且以 n。轴为 X轴， n _e 轴为 y轴， 折射率椭球 5上的任意一点用 n _x ， n _y 表示， 则当如 图 2所示的电磁波经过超材料单元 4时， 其用 k _x ， k _y 表示的对应于此折射率椭 球 5的波传播椭球 50有以下关系， 即 k _y =n _x *aVc， k _x =n _y *aVc， 其中， ω为电磁 波的角频率， c为光速， 波传播椭球 50与折射率椭球 5共中心点， k _x ， k _y 是波 传播椭球 50上的点坐标。 由公式可知， 波传播椭球 50与折射率椭球 5为相似 图形， 且其长轴方向为折射率椭球 5 的短轴方向， 而短轴方向为折射率椭球 5 的长轴方向。

电磁波经过超材料单元 4后的偏折方向可通过波传播椭球 50画出来。 如图 2所示， 对于如图中所示方向入射的电磁波， 与要出射的波传播椭球 50的面上 一点相交， 做此相交点关于波传播椭球 50的切线， 自切点做的切线的法线方向 即为电磁波的能量传播方向， 因此电磁波在元件内部沿此方向传播。 当电磁波 离开元件时， 所述法线延伸至与电磁波元件的一表面也即出 射面相交后， 自出 射面上的交点继续沿与入射方向平行的方向出 射， 此出射方向为电磁波相位传 播方向。

实现上述两个必备条件的人造微结构 2 有很多种可实现方式， 对于平面结 构的人造微结构 2， 其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称； 对于三维结构， 其可以是非 90度旋转对称的任意三维图形。 图 2、 图 3、 图 4示出了其中三种 轴对称且非 90度对称的平面人造微结构 2， 图 5和图 6是非轴对称的平面人造 微结构 2， 图 7至图 9为三维结构的人造微结构 2的示意图。

平面的人造微结构 2均附着在片状基材 1的表面上。 如图 2所示， 其人造 微结构 2呈 "工"字形， 包括两根相互平行且长度相等的第一金属丝 60、 两端 分别连接两第一金属丝 60且垂直平分第一金属丝 60的第二金属丝 61。 所有人 造微结构 2按照正方形阵列排布， 且第二金属丝 61相对于水平或竖直阵列方向 的倾斜角为 45度。 每个人造微结构 2的折射率椭球 5如图 2所示， 其非寻常光 光轴 与第二金属丝 61的方向平行，整个电磁波元件的光学主轴即� ��与非寻常 光光轴 平行的方向。

图 3是本发明电磁波元件第二实施例的主视图。 图 3所示的电磁波元件， 除了人造微结构 2的几何形状与图 1、 图 2所示实施例不同之外， 其他均与之相 同， 图 4至图 6也类同。 图 3所示实施例的人造微结构 2呈 "十"字形， 具有 垂直相交且互相平分的水平金属丝 70和竖直金属丝 71， 二者长度不相等， 且均 不垂直也不平行于水平方向。 各人造微结构 2的折射率椭球 5如图所示， 其非 寻常光光轴 、 寻常光光轴 n。分别于竖直金属线、 水平金属线重合， 因此， 对 于水平入射的电磁波， 非寻常光光轴 也即此电磁波元件的光学主轴不垂直切 不平行于电磁波入射方向。

图 4是本发明电磁波元件第三实施例的主视图。� �图 4所示的人造微结构 2 呈椭圆形闭合线圈， 且椭圆形的长轴和短轴均不平行且不垂直于水 平方向， 也 即电磁波入射方向， 因此各个折射率椭球 5的非寻常光光轴 也不平行且不垂 直于电磁波的入射方向， 电磁波经过该电磁波元件时发生偏折， 并从与入射表 面平行的另一面以水平方向射出。 图 5和图 6分别是是本发明电磁波元件第四实施例和第� �实施例的主视图。 图 5、 图 6所示的人造微结构 2为任意三角形和闭合的不规则曲线， 同样也可为 其他任意非正方形的四边形、 五边形、 不闭合的不规则曲线等等， 只要满足每 个人造微结构 2的折射率椭球 5的非寻常光光轴 n _e 不与电磁波入射方向垂直或 平行， 即可实现本发明的电磁波平移目的。

图 7、图 8示出的是三维结构的人造微结构 2所构成的超材料单元和由多个 超材料单元阵列构成的超材料片层， 每个三维的人造微结构 2均匀、 平行地阵 列排布在片状基材 1 内部， 多个图 8所示的片状基材 1堆叠从而构成一个整体 的电磁波元件， 如图 9所示， 图示箭头方向为电磁波入射方向。

本实施例的人造微结构 2包括相交于一点且两两垂直的三根长金属丝 80和 分别接在每个长金属丝 80两端且与该长金属丝 80垂直的六根短金属丝 81， 由 于该人造微结构 2非 90度旋转对称结构， 因此， 具有各向异性的特征， 导致整 个电磁波元件对电磁波呈各向异性， 其非寻常光光轴 在三维空间内与电磁波 入射方向也是不垂直且不平行的， 因此能够实现电磁波的平移。

采用本发明的电磁波元件， 由于采用完全相同的多个超材料片层叠加而成 ， 每个超材料片层具有相同的人造微结构 2， 因此加工和设计上非常简便， 且通过 叠加足够多的片层可制得足够大的尺寸， 以满足各种极端应用条件的需求。 每 个人造微结构 2设计成各向异性且其折射率椭球 5的非寻常光光轴 方向与需 要响应的入射电磁波方向不垂直且不平行即可 。

本发明实施例中电磁波元件的第七实施例如下 ：

本实施例涉及一种电磁波元件， 可使两束入射的电磁波离开元件时汇聚成 一束电磁波， 从而提高电磁波的能量密度， 有利于电磁波传播得更远。

图 10是本发明的电磁波元件的第七实施例的结构� ��意图。 如图 10所示， 本发明的电磁波元件由一个或多个厚度相同的 超材料片层构成， 这些超材料片 层之间等间距排列组装， 或两两片层之间直接前、 后表面相贴合地堆叠为一体 结构。 每个超材料片层包括前后表面平行从而成等厚 片状的基材 100，还包括附着 在基材 100前表面上或者嵌入在基材 100内部中间的多个人造微结构 20。

这些人造微结构 20之间均匀排布， 也即， 任一人造微结构 20的中心点与 其周围几个人造微结构 20的中心点之间的间隔距离， 和其他人造微结构 20的 中心点与其周围几个人造微结构 20的中心点之间的间隔距离都是相同的， 换句 话说， 也就是每个人造微结构 20所占据的基材 100部分是相同的。 因此， 本文 的基材 100划分为多个完全相同且阵列排布的立方体的 基材单元， 每个基材单 元上或内部附着有一个人造微结构 20，相当于每个人造微结构 20占据一个相同 的基材单元。 每个基材单元及其上附着的人造微结构 20共同构成一个超材料单 元 40。 因此， 超材料片层可以看做是多个超材料单元 40以一个方向 X为行、 以 垂直于 X方向的 y方向为列组成的阵列。

人造微结构 20是由细而薄的金属丝组成的，并在基材 100表面上或基材 100 内部组成一定的几何形状， 可以对电磁场产生响应， 使得对应的超材料单元 40 具有不同于基材 100 的等效介电常数和等效磁导率， 因此可对电磁场产生不同 于基材 100的响应。 通过设计各个超材料单元 40的等效介电常数和等效磁导率 的分布， 可以使整个元件实现对电磁波的汇聚。 等效介电常数和等效磁导率对 电磁波的影响， 用折射率来表示。

折射率椭球用来表示折射率特性， 对于任一给定的超材料单元 40， 可通过 现有技术的模拟仿真软件和计算方法算出来， 例如参考文献 Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials , D. R. Smith, D. C. Vier, T. Koschny, C. M. Soukoulis, Physical Review E 71, 036617 (2005) 。 折射率椭球 500 的长轴方向为非寻常光光轴 n _el ， 简称 n _el 轴， 其短轴方向为寻常光光轴 ₁ ， 简 称 n _ol 轴。

本发明的所有超材料单元 40均具有相等的折射率椭球 500， 即折射率椭球 500的大小、 形状完全相同。折射率椭球 500相同， 并不必然所有的人造微结构 20 均相同， 可以通过设计使得不同的人造微结构 20 也具有相同的折射率椭球 500； 但是， 人造微结构 20 相同， 在基材单元相同的前提下， 必然折射率椭球 500相同。 因此， 本发明实施例中， 为了方便设计和制造， 均采用相同的人造微 结构 20来实现折射率椭球 500相同。

由于超材料单元 40的基材 100选用的是普通非金属的天然材料， 通常为各 向同性的均质材料， 因此， 基材 100的折射率特征为圆球， 对超材料单元 40的 折射率特征没有影响， 故可以用人造微结构 20的折射率椭球 500来描述超材料 单元 40的折射率椭球 500。 当基材 10不是普通的各向同性且均质的材料， 则本 文的折射率椭球 500均指人造微结构 20和所附着的基材单元的折射率特性二者 叠加所对应的折射率椭球 500， 也即超材料单元 40的折射率椭球 500。 如果人 造微结构 20也为各向同性， 则与基材单元组成的超材料单元 40也会为各项同 性， 使得其折射率特征描述为圆球。因此， 人造微结构 20必须为各向异性结构。

要使人造微结构 20为各向异性， 则各个人造微结构 20必须为非 90度旋转 对称结构。 对于二维平面结构， 90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该 平面的旋转轴任意旋转 90度后与原结构重合； 对于三维结构， 如果具有两两垂 直且共交点的 3条旋转轴， 使得该结构绕任一旋转轴旋转 90度后均与原结构重 合或者与原结构以一平面对称， 则该结构为 90度旋转对称结构。

因此， 要实现各向异性， 则本发明的人造微结构 20不能为 90度旋转对称 结构， 包括轴对称结构和非轴对称结构。

例如， 图 10所示的 "工"字形人造微结构， 包括第一金属丝和垂直连接在 第一金属丝两端的第二金属丝 21、 22。本实施例的人造微结构为非 90度旋转对 称结构， 具有各向异性特征。 其折射率椭球 500的非寻常光光轴 ₁ 与第一金属 丝的方向平行。

图 11所示的 "十"字形人造微结构， 由垂直相交的水平金属丝 202和竖直 金属丝 201构成， 当二者不等长时， 图 11所示人造微结构为各向异性。 其折射 率椭球 500的长轴也即非寻常光光轴 ₁ 与竖直金属丝所在方向平行。

图 12所示人造微结构 20为 "工"字形人造微结构的衍生， 包括两根垂直 相交的第一金属丝 204和分别垂直连接在每个第一金属丝 204两端的第二金属 丝 203。只要两根第一金属丝不等长或者四根第二 金属丝不等长， 整个结构极为 各向异性结构。

图 13所示人造微结构 20是 "工"字形人造微结构的进一歩衍生， 包括三 根两两正交垂直的第一金属丝 206和分别连接在每个第一金属丝 206两端的第 二金属丝 205。 同样， 只要第一金属丝长度不相等或者第二金属丝长 度不相等， 该结构极为各向异性结构。

图 14所示人造微结构 20为任意三角形， 也可以是其他任意多边形、 椭圆 形、 曲线图形等。 本发明的人造微结构 20也可以是其他任意立体图形， 例如图 13所示的立体结构， 也可以是三棱锥线条、 椭圆环等， 只要是非 90度旋转对称 结构都可以使得所对应的人造微结构 20及其超材料单元 40对电磁波呈现各向 异性的特征。

要实现本发明的汇聚电磁波功能，在各个超材 料单元 40各向异性的前提下， 每一行超材料单元 40的折射率椭球 500相互平行， 而每一列超材料单元 40 自 该列的第一个至最后一个， 其折射率椭球 500依次顺时针或逆时针旋转， 如图 10所示， 本发明所示的第一实施例为顺时针旋转。

以 X方向为 0度方向， 折射率椭球 500的非寻常光光轴 ₁ 与0度线的夹角 在 0至 90度范围内的人造微结构 20为第一人造微结构 21， 其非寻常光光轴 ₁ 与同一 0度线的夹角在 270至 360度范围内的为第二人造微结构 22。 二者的临 界线所在的且垂直于基材 10表面的平面为它们的分界面。 该分界面可以是两行 超材料单元 40的交界面， 也能是其中一行超材料单元 40中心点连线所在的平 面。 本发明中， 优选第一、 第二人造微结构以分界面为对称面一一对称， 可实 现对应的折射率椭球 500沿 y方向依次旋转的同时， 简化设计过程。 在所有人 造微结构 20的结构形状都相同以实现折射率椭球 500相同的条件下， 通过旋转 人造微结构 20相对于 0度方向的角度， 即可实现折射率椭球 500的相应旋转， 如图 10、 图 16所示。 对于一束入射电磁波， 已知折射率椭球 500， 可以推知电磁波对应于该折射 率椭球 500的波传播椭球 501。 如图 15所示， 假定坐标原点在折射率椭球 500 的中心上， 且以 ₁ 轴为 X轴， n _el 轴为 Y轴， 椭球上的任意一点用 n _x ， n _Y 表 示， 则当如图 15所示的电磁波经过超材料单元 40时， 其用 k _x ， k _Y 表示的对应 于此折射率椭球 500的波传播椭球 501有以下关系， 即 k _y =n _x *oVc， k _x =n _y *o)/c， 其中， ω为电磁波的角频率， c为光速， 波传播椭球 501与折射率椭球 500共中 心点， k _x ， k _Y 是波传播椭球 501上的点坐标。 由公式可知， 波传播椭球 501与 折射率椭球 500为相似图形， 且其长轴方向为折射率椭球 500的短轴方向， 而 短轴方向为折射率椭球 500的长轴方向。

任意一束电磁波经过超材料单元 40后的偏折方向可通过波传播椭球 501画 出来。 如图 15所示， 对于如图中所示方向入射的电磁波， 与要出射的传播椭球 的面上一点相交， 做此相交点关于波传播椭球 501 的切线， 自相交点做的切线 的法线方向即为电磁波的能量传播方向。 此法线延伸至与电磁波元件的一表面 也即出射面相交后， 自出射面上的交点继续沿与入射方向平行的方 向出射， 此 出射方向为电磁波相位传播方向。

由于分界面 30两侧的第一人造微结构 21和第二人造微结构 22对称分布， 因此， 如图 10所示， 二者的折射率椭球 500的非寻常光主轴分别相对于分界面 30对称并成一定夹角。入射电磁波的一部分电� ��波经过第一人造微结构 21后向 下偏折， 而另一部分电磁波经过第二人造微结构 22从而向上偏折， 两部分电磁 波在元件内部相互靠近实现汇聚， 并在离开元件时保持与入射方向平行。

对于各个第一人造微结构 21， 沿 y方向的每一列人造微结构由于依次顺时 针旋转， 如图 16所示， 自分界面 30向上的每列人造微结构的非寻常光光轴 n _el 与分界面的夹角依次为 Θ1， Θ2， Θ3 , Θ4， Θ5 , 且有如下关系式： 90 ° ^Θ1 ^Θ2 Θ3 Θ4 Θ5。 因此下一个折射率椭球 500 会使电磁波在经过上一个折射率椭 球 500发生向下偏折的基础上再进一歩向下偏折， 在离开元件以前将发生多次 偏折， 使得到离开元件时出射位置相对于入射位置有 较大的平移。 越靠近分界 面入射的电磁波， 平移量越小， 越远离分界面入射的电磁波， 平移量越大。 要实现汇聚， 每一列人造微结构 20自第一个到最后一个总的旋转角度不超 过 180度， 也即每列第一人造微结构 21的旋转角度不超过 90度， 使得每两两 对称的第一人造微结构和第二人造微结构 22二者的折射率椭球 500的非寻常光 光轴 ₁ 延长至分界面所形成的线段， 均位于分界面法线的同一侧， 同时所有的 第一人造微结构的非寻常光周延长至分界面与 分界面的夹角都在 0度到 90度之 间。 这样也可保证所有第一人造微结构均使电磁波 向下靠近分界面， 第二人造 微结构 22也均向上靠近分界面， 最终实现汇聚。

离分界面最近的一行第一人造微结构和一行第 二人造微结构 22之间的夹角 最大， 甚至可以为 180度， 使得分界面上的人造微结构的折射率椭球 500垂直 于分界面， 此处对电磁波的传播方向不影响。

需要说明的是， 由以上实施例可知， 电磁波传播方向与分界面 30两侧的非 寻常光光轴 n _el 所形成的夹角的张开方向相反时， 电磁波将实现汇聚； 显然的， 若分界面 30两侧的非寻常光光轴 n _el 所形成的夹角其张开方向与电磁波传播方 向一致时， 两侧的电磁波将向远离分界面 30的方向偏折， 在出射时实现分离。 因此， 这种情况也属于本发明保护范围之内。

采用本发明的电磁波元件， 由于采用完全相同的多个超材料片层叠加而成 ， 每个超材料片层具有相同的人造微结构 20， 因此加工和设计上非常简便， 且通 过叠加足够多的片层可制得足够大的尺寸， 以满足各种极端应用条件的需求。 每个人造微结构 20设计成各向异性且其折射率椭球 500的非寻常光光轴 ₁ 方 向与分界面 30不垂直且不平行即可。

本发明实施例中电磁波元件的第八实施例如下 ：

本实施例涉及一种电磁波元件， 可使一束入射的电磁波离开元件时分离成 两束电磁波。

如图 18所示， 本发明的电磁波元件由一个或多个厚度相同的 超材料片层构 成。每个超材料片层包括等厚片状的基材 100， 还包括附着在基材 100前表面上 或者嵌入在基材 100内部中间的多个人造微结构 200，人造微结构 200包括第一 人造微结构 23和第二人造微结构 24。

利用一垂直于基材 100前表面的平面将基材 100分成两部分， 在第一部分 上具有第一人造微结构 23， 在第二部分上具有第二人造微结构 24， 且第一人造 微结构 23和第二人造微结构 24以该平面为分界面 300对称分布。 第一人造微 结构 23有多个，且具有完全相同的几何形状，并相� ��平行地均匀分布在基材 100 的第一部分表面上。第二人造微结构 24也具有多个， 数量与第一人造微结构 23 相同， 并相互平行地均匀分布在基材 100 的第二部分表面上， 且分别与各个第 一人造微结构 23—一对应地相对于分界面 300对称。

这里的均匀分布是指， 任一人造微结构 200 与其周围几个人造微结构 200 之间的间隔距离， 和其他人造微结构 200与其周围几个人造微结构 200之间的 间隔距离都是相同的， 换句话说， 也就是每个人造微结构 200所占据的基材 100 部分是相同的。 这里的相互平行是指， 每个人造微结构 200上任意两点的连线， 与另一人造微结构 200 上相应两点的连线平行， 或者说， 每个人造微结构 200 通过在基材 100上水平和竖直移动可最终与任意另一人造微 结构 200重合。

每个人造微结构 200 是由细而薄的金属丝组成的， 这些金属丝在基材 100 前表面上或基材 100 内部组成一定的几何形状， 与所附着占据的基材 100部分 一起构成一个超材料单元 400， 这个超材料单元 400 具有一个不同于附着基材 100自身的等效介电常数和等效磁导率， 可对电磁场产生不同的响应。 因此， 超 材料片层也可看做是由多个这样的完全相同的 超材料单元 400无缝结合起来的， 通过所有超材料单元 400的共同响应， 使整个元件实现对电磁波的分裂。

要使电磁波分裂， 即使得两束电磁波均向远离分界面 300 的位置平移最终 分裂， 如图 19所示。 因此， 对于分界面 300任一侧的电磁波元件部分， 都必须 具备使电磁波平移的条件。

出射电磁波相对于入射电磁波平移， 需要具备两个条件， 其一是分界面 300 任一侧的元件部分对电磁波呈各向异性。 由于该元件部分是由规则排布的超材 料片层组成的， 片层的分布是均匀且平行的， 而每个片层上的人造微结构 200 的分布也是均匀且平行的， 因此， 只要每个人造微结构 200 自身的结构为各向 异性， 则该元件部分就会呈现各向异性的特征； 若人造微结构 200 为各向同性 结构， 则该元件部分体现出各向同性的特征。

对于平面结构的人造微结构 200， 这里的各向同性， 是指对于在该二维平面 上以任一角度入射的任一电磁波， 上述人造微结构 200在该平面上的电场响应 和磁场响应均相同， 也即介电常数和磁导率相同； 对于三维结构的人造微结构 200， 各向同性是指对于在三维空间的任一方向上入 射的电磁波， 每个上述人造 微结构 200在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同 。 当人造微结构 200为 90度旋转对称结构时， 人造微结构 200即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构， 90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该� ��面的 旋转轴任意旋转 90度后与原结构重合； 对于三维结构， 如果具有两两垂直且共 交点的 3条旋转轴， 使得该结构绕任一旋转轴旋转 90度后均与原结构重合或者 与原结构以一分界面对称， 则该结构为 90度旋转对称结构。 因此， 要实现各向 异性， 则本发明的人造微结构 200不能为 90度旋转对称结构， 即只能为非 90 度旋转对称结构。

电磁波平移的另一必要条件是分界面 300任一侧的元件部分的光学主轴必 然不垂直且不平行于所述分界面 300。 本实施例中， 如图 18、 图 19所示， 电磁 波平行于基材 100前表面地入射到超材料片层的一侧边缘， 多个超材料片层沿 垂直于其前表面的方向堆叠粘合， 使得多个侧边缘合并构成入射电磁波的入射 表面。

同样， 由于超材料片层均匀规则排布， 每个人造微结构 200 也均匀且平行 排列， 因此， 要使分界面 300任一侧的元件部分的光学主轴不垂直且不平 行于 分界面 300，也即每个超材料单元 400的折射率椭球 502的非寻常光光轴 ₂ (简 称 n _e2 轴）不垂直且不平行于所述入射表面。 由于超材料单元 400的基材选用的 是普通非金属的天然材料， 通常为各向同性的均质材料， 因此， 其折射率特征 为圆球， 对超材料单元 400 的折射率特征没有影响， 故而只要人造微结构 200 的折射率椭球 502 的非寻常光光轴不垂直且不平行于所述入射表 面即可。 当基 材不是普通的各向同性且均质的材料，则本文 的折射率椭球均指人造微结构 200 和所附着的基材部分的折射率特性二者叠加所 对应的折射率椭球， 也即超材料 单元 400的折射率椭球 502。

折射率椭球用来表示折射率特性， 对于任一给定的超材料单元 400， 可通过 现有技术的模拟仿真软件和计算方法算出来， 例如参考文献 Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials , D. R. Smith, D. C. Vier, T. Koschny, C. M. Soukoulis, Physical Review E 71, 036617 (2005) 。

对于图 18所示实施例中的超材料单元 400， 其折射率椭球 502的寻常光光 轴 n _e2 、 非寻常光光轴 n。 ₂ (简称 n。 ₂ 轴）如图 19中所示。假定坐标原点在折射率 椭球 502的中心上， 且以 n。 ₂ 轴为 X轴， n _e2 轴为 y轴， 折射率椭球 502上的任 意一点用 n _x ， n _y 表示， 则当如图 19所示的电磁波经过超材料单元 400时， 其用 k _x ， k _y 表示的对应于此折射率椭球 502 的波传播椭球 503 有以下关系， 即 k _y =n _x *oVc， k _x =n _y *oVc， 其中， ω为电磁波的角频率， c为光速， 波传播椭球 503 与折射率椭球 502共中心点， k _x ， k _y 是波传播椭球 503上的点坐标。由公式可知， 波传播椭球 503与折射率椭球 502为相似图形，且其长轴方向为折射率椭球 502 的短轴方向， 而短轴方向为折射率椭球 502的长轴方向。

电磁波经过超材料单元 400后的偏折方向可通过波传播椭球 503画出来。 如图 19所示， 对于如图中所示方向入射的电磁波， 与要出射的传播椭球 50的 面上一点相交， 做此相交点关于波传播椭球 503 的切线， 自相交点做的切线的 法线方向即为电磁波的能量传播方向， 因此电磁波在元件内部沿此方向传播。 当电磁波离开元件时， 所述法线延伸至与电磁波元件的一表面也即出 射面相交 后， 自出射面上的交点继续沿与入射方向平行的方 向出射， 此出射方向为电磁 波相位传播方向。

由于分界面 300两侧的第一人造微结构 23和第二人造微结构 24对称分布， 因此， 如图 19所示， 二者的折射率椭球 502的非寻常光光轴分别相对于分界面 300对称并成一定夹角， 夹角由其中任意两个对称的第一人造微结构 23和第二 人造微结构 24二者的非寻常光光轴分别延伸至分界面上构� ��。 该夹角不为零或 180度，且所述夹角自两非寻常光光轴相交的点 向开口延伸的开口方向与入射电 磁波的传播方向一致。

实现上述两个必备条件的人造微结构 200有很多种可实现方式， 其几何形 状可以是轴对称也可以非轴对称。 图 19、 图 20、 图 21示出了其中三种轴对称 的人造微结构 200， 图 22、 图 23是非轴对称的人造微结构 200的示意图。

如图 19所示， 人造微结构 200为 "工"字形。 在本实施例中， "工"字形 人造微结构 200由两根相互平行且长度相等的第一金属丝 62、 两端分别连接两 第一金属丝 62且垂直平分第一金属丝 62的第一金属丝 63构成。第一人造微结 构 23的第一金属丝 63相对于水平方向成 135度， 第二人造微结构 24的第一金 属丝 63相对于水平方向成 45度。 每个人造微结构 200的折射率椭球 502如图 19所示， 其非寻常光光轴 ₂ 与第一金属丝 63的方向平行， 整个电磁波元件的 分界面两侧部分的光学主轴相对分界面 300对称并呈 90度夹角。

图 20示出的是人造微结构 200为倾斜的 "十"字形， 包括垂直相交的水平 金属丝 72和竖直金属丝 73， 其中竖直金属丝 73长度大于水平金属丝 72， 各个 人造微结构 200所处的超材料单元 400的折射率椭球 502如图所示， 其椭球的 长轴也即非寻常光光轴 ₂ 分别与分界面 300成一定夹角， 分界面 300两侧的各 非寻常光光轴 ₂ 也即两部分元件的光学主轴的方向。 图 21所示的人造微结构 200为椭圆形。

如图 22所示， 人造微结构 200呈不规则三角形， 其超材料单元 400的折射 率椭球 502的非寻常光光轴 n _e2 也均不垂直于分界面 300。 同时， 分界面 300两 侧的非寻常光光轴 ₂ 相交成一夹角， 且沿电磁波传播方向与夹角张开的方向一 致。

图 23示出的是一个不规则金属线所构成的人造微� ��构 200， 由于其细长的 形状， 使得具有各向异性， 因此所具有的折射率特征也呈椭球形， 相应的非寻 常光光轴 ₂ 与分界面 300成一夹角，同样夹角张开方向与电磁波传播 方向相同， 使得入射的电磁波一部分向下偏折， 另一部分向上偏折， 从而实现分裂。

需要说明的是， 由以上实施例可知， 电磁波传播方向与分界面 300 两侧的 非寻常光光轴 n _e2 所形成的夹角的张开方向相同时， 电磁波将实现分裂；显然的， 若分界面 300两侧的非寻常光光轴 n _e2 所形成的夹角其张开方向与电磁波传播方 向相反时， 两侧的电磁波将分别偏向分界面 300， 甚至在出射时实现汇聚成一束 电磁波。 因此， 这种情况也属于本发明保护范围之内。

另外， 还需说明的是， 人造微结构 200 并不仅限于本发明的实施例所列举 的平面结构， 也可以是三维结构， 例如三条相互垂直、 相交于一点但长度不相 等的金属丝所构成的空间 "米"字形等， 任意不具有 90度旋转对称特征的形状， 均可作为本发明的人造微结构 200的形状。

上述实施例中， 对于第一人造微结构 23来说， 各个人造微结构 200完全相 同且平行均匀分布。 但需要说明的是， 本发明的电磁波元件， 要实现电磁波分 裂， 只需要第一人造微结构 23的折射率椭球均完全相同， 且各个折射率椭球的 非寻常光光轴 n _e2 相互平行即可。 也就是说， 各个第一人造微结构 23可以不相 同， 只要通过调整和设计， 使得其对应的折射率椭球相同且非寻常光光轴 n _e2 相 互平行即可。 第二人造微结构 24也是如此。 当然， 在设计和制造的过程中， 采 用相同的人造微结构 200， 有利于减少设计成本， 缩短设计周期， 且便于制造。

同时， 上述实施例是以分界面 300为对称面， 第一人造微结构 23和第二人 造微结构 24以分界面 300对称， 因此二者的非寻常光光轴 n _e2 不为零或 180度 时必然位于分界面 300 的法线的同一侧。 但是， 本发明的电磁波元件并不限定 为分界面 300为对称面， 第一人造微结构 23的 n _e2 轴与分界面 300的夹角可以 不同于第二人造微结构 24的 n _e2 轴与分界面 300的夹角。两个 n _e2 轴延伸至与分 界面 300相交形成两个线段， 自它们与分界面 300的交点做垂直于分界面 300 的法线， 只要两个线段均位于法线的同一侧， 即可实现本发明的分裂电磁波的 目的。

采用本发明的电磁波元件， 由于采用完全相同的多个超材料片层叠加而成 ， 每个超材料片层具有相同的人造微结构 200， 因此加工和设计上非常简便， 且通 过叠加足够多的片层可制得足够大的尺寸， 以满足各种极端应用条件的需求。 每个人造微结构 200设计成各向异性且其折射率椭球 502的非寻常光光轴 ₂ 方 向与分界面 300不垂直且不平行即可。

上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描 述， 但是本发明并不局限于 上述的具体实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的， 而不是限制性的， 本领域的普通技术人员在本发明的启示下， 在不脱离本发明宗旨和权利要求所 保护的范围情况下， 还可做出很多形式， 这些均属于本发明的保护之内。