一种基于超材料的折射率梯度平板聚焦透镜的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于超材料的折射率梯度平板聚焦透镜，是由圆盘状切片组合而成的圆柱形结构。传统聚焦透镜大多基于曲面结构，曲面给透镜的制造增加了难度。如果透镜的折射率具有圆柱坐标下径向梯度，则可以在实现相位修正的同时，保持交界面为平面，这就是一种折射率梯度透镜。超材料也称为新型人工电磁材料具有新颖特性，可以利用它制作出平板透镜。首先利用几何光学法的相关公式计算出平板透镜折射率的分布，然后选择新型人工电磁材料作为结构单元，实现透镜折射率的梯度分布。此外，得益于新型人工电磁材料的优异特性，此平板聚焦透镜还具有稳定性高，损耗小，工作频带宽等优良性能。
【专利说明】一种基于超材料的折射率梯度平板聚焦透镜
【技术领域】
[0001] 本发明属于微波成像领域，涉及一种微波三维聚焦装置。
【背景技术】
[0002] 传统意义上的透镜一般由均匀折射率的媒质构成，传统透镜与空气的交界面具有 特定的曲面。在光学波段，透镜由硬质玻璃或石英制成，其曲面需要特殊的打磨加工。在微 波频段，透镜一般由人工树脂或者聚苯乙烯等材料利用模具加工成，不规则的曲面给透镜 的制造加工带来了不小的难度。
[0003] 本发明设计了一个三维平板折射率梯度的透镜，放置于其焦点的点源发射的球面 波透过平板透镜之后再次汇聚，重新聚焦成一个点，实现了成像的效果。折射率梯度有三种 形式，第一种是轴向梯度，这种透镜的折射率在与轴向垂直的切面上保持一致，采用轴向梯 度的透镜可以将原非球曲面变为球面；第二种是圆柱坐标系下径向梯度，其代表是Wood透 镜；第三种是球坐标系下径向梯度，其透镜为球体。最早的折射率梯度微波透镜可以追溯到 1854年Maxwell的鱼眼透镜和1944年的Luneburg透镜，它们均具有球坐标系下径向梯度。 最早的折射率梯度光学透镜可以追溯到1905年的Wood透镜，它是一个圆柱坐标系下径向 梯度透镜。
[0004] 本发明充分利用超材料电磁参数可人为调控的特性，使得透镜的折射率具有圆柱 坐标下径向梯度，则可以在实现相位修正的同时，保持交界面为平面。相对于传统的曲面透 镜，平面的结构使得加工难度大大降低。本发明还具有性能稳定，工作频带较宽等优点，这 些都更便于将其推广到实际应用。
【发明内容】
[0005] 技术问题：本发明充分利用了新型人工电磁材料介电常数可人为调控的特性，提 供一种能在整个X波段实现三维聚焦，整套装置易于加工，可批量生产，还可推广到米波、 毫米波、太赫兹以及光波段的基于超材料的折射率梯度平板聚焦透镜。
[0006] 技术方案：本发明的基于超材料的折射率梯度平板聚焦透镜，为由超材料制备 的圆盘状切片叠加而成的圆柱体结构，所述圆盘状切片平行于圆柱体底面，在与圆柱体母 线平行的方向上，透镜的介电常数不变，在与圆柱形底面平行的径向上，透镜的介电常数 ε (R)按如下函数关系递减：
[0007]
【权利要求】
1. 一种基于超材料的折射率梯度平板聚焦透镜，其特征在于，该透镜为由超材料制备 的圆盘状切片叠加而成的圆柱体结构，所述圆盘状切片平行于圆柱体底面，在与圆柱体母 线平行的方向上，透镜的介电常数不变，在与圆柱形底面平行的径向上，透镜的介电常数 ε (R)按如下函数关系递减：
其中，η。为透镜中心处的相对折射率，t为透镜的厚度，单位为毫米，f为平板聚焦透镜 的焦距，单位为毫米，ε (R)为透镜上一点的介电常数，R为该点到透镜中心轴线的距离，单 位为毫米。
2. 根据权利要求1所述的一种基于超材料的折射率梯度平板聚焦透镜，其特征在于， 所述圆盘状切片的厚度为透镜工作波长的十二分之一到八分之一。
3. 根据权利要求2所述的一种基于超材料的折射率梯度平板聚焦透镜，其特征在于， 所述圆盘状切片的厚度为透镜工作波长的十分之一。
4. 根据权利要求1、2或3所述的一种基于超材料的折射率梯度平板聚焦透镜，其特征 在于，所述透镜的圆柱体结构中，当一个切片采用单一介电常数材质不能满足介电常数递 减关系时，则该切片由介电常数从内向外依次减小的多个环形片材拼接而成。
5. 根据权利要求4所述的一种基于超材料的折射率梯度平板聚焦透镜，其特征在于， 所述圆盘状切片根据等效媒质理论被分割成等大的单元块，每个单元块的中心都加工有用 以减小介电常数的通孔。
【文档编号】H01P3/20GK104157945SQ201410401944
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】蒋卫祥, 戈硕, 崔铁军 申请人:东南大学