专利名称：一种压缩电磁波的超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种压缩电磁波的超材料。
背景技术：
众所周知，柱面镜又可称之为自聚焦透镜，它是通过类似光纤的原理，通过特殊的制造加工手段，使透镜的折射率发生变化，其口径一般都很小，大概在2mm左右，最细的也有几个微米的，它可以制成P/4，P/2，...等形式的(其中P为截距)，其中P/4的柱面镜它的焦点就在端面上，也即焦距=P/4。通常，柱面镜主要分为平凸柱面透镜与平凹柱面透镜，主要用于传导光纤的光能量会聚，它的性质类似于普通的透镜(主要是光学性能参数、指标等)，但其又有些微小的··区别柱面镜是非球面的透镜，可以有效减小球差和色差等光学损失；由于柱面镜的折射率沿径向变化，可改变水平入射光线的传播方向，而不改变垂直入射光线的传播方向，即可应用于一个方向对光线的传播进行改变，另一个方向的光线传播没有要求的场合，如用柱面镜将扩散型光源折射聚焦成线光源。随着社会的发展和节能经济的需求，找到一种材料保持柱面镜的折射聚焦性，同时更有效地降低透镜的光学损失成为了人们研究的新动向和发展趋势。超材料(metamaterial)作为一种材料设计理念以及研究前沿,越来越引起人们的关注，所谓超材料，是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通的超常材料功能。迄今发展出的“超材料”包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等，超材料性质往往不主要决定与构成材料的本征性质,而决定于其中的人工结构。超材料由介质基材和设置上基材上的多个人为结构组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人为结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻抗。人为的结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，人为结构可以具有人为设计的各向异性的电磁参数，从而产生许多新奇的现象，为实现电磁波的影响提供了可能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种保持有柱面镜的折射聚焦性、同时更有效地降低透镜的光学损失、体积小、简单、易于实现以及成本低的压缩电磁波的超材料。本发明解决其技术问题所采用的第一技术方案是提供一种压缩电磁波的超材料，包括基材以及多个人造微结构，所述基材分成多个晶格，一个人造微结构置于一个晶格中形成一个单元，所述超材料分成多个区段，每一区段折射率由大到小渐变，所述每一区 -
段长度满足下列公式yi = ^ ( A + v'Vi-i2 +s2)" — s2 ;所述每一区段的单元折射率满足以下公式
_] ny=nmax-(n，:一 1 X(VTrT^- Vyj-I2 + S2);其中，i为所分区段数，取值为自然数，当i = I时，y(l = O ;nfflax为超材料各区段上的单元最大折射率；IiniinS超材料各区段上的单元最小折射率；S为波源垂直于超材料平面上的第一区段起始单元与所述波源的直线距离，f为波源之频率，c为光速，λ为波长，所述起始单元为第一区段折射率最大的单元，y为超材料·垂直方向上距离I0的距离。在本发明所述的压缩电磁波的超材料中，所述超材料由多个片状基板层叠形成，每个片状基板均由基材以及多个人造微结构组成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。在本发明所述的压缩电磁波的超材料中，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。在本发明所述的压缩电磁波的超材料中，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得所述的折射率。在本发明所述的压缩电磁波的超材料中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。在本发明所述的压缩电磁波的超材料中，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。在本发明所述的压缩电磁波的超材料中，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材上。在本发明所述的压缩电磁波的超材料中，所述金属线为铜线或银线。在本发明所述的压缩电磁波的超材料中，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线。在本发明所述的压缩电磁波的超材料中，所述第一主线及第二主线相互平分，所述第一支线的中心连接在第一主线上，所述第二支线的中心连接在第二主线上。实施本发明的超材料，具有以下有益效果I.体积小，不占用过多的空间；2.简单、易于实现、低成本、保持有柱面镜的折射聚焦性、同时更有效地降低透镜的光学损失；3.能让发散的电磁波变成平行波发射，从而压缩了原来的电磁波。
图I是本发明实施例一种压缩电磁波的超材料结构方框图；图2a是本发明实施例压缩电磁波的超材料的截面图2b是本发明实施例压缩电磁波的超材料折射率的示意图；图3为一个人造微结构的示意图；图4至图6为图3的衍生图。
具体实施例方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。“超材料"是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。“超材料"重要的三个重要特征 (I) “超材料"通常是具有新奇人工结构的复合材料；(2) “超材料"具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；(3) “超材料"性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。请参阅图I及图2，在本发明实例中，一种压缩电磁波的超材料20，如图I所示，包括基材I以及多个人造微结构2，一个基材I以及多个人造微结构2组成一个超材料片状基板11，基材I分成多个晶格，一个人造微结构2置于一个晶格中形成一个单元，超材料20分成多个区段，每一区段折射率由大到小渐变，每一区段长度满足下列公式
Yi = J (λ+ '.OV12Tir^-S2 ；所分区段内的单元折射率满足以下公式Oy=Iimax-wna^3mm ；1 X Uff2 + S2 — VVi-I2 + S2);其中，i为所分区段数，取值为自然数，当i = I时，yQ = 0，nmax为超材料各区段上的单元最大折射率；IiniinS超材料各区段上的单元最小折射率；f为波源10之频率，c为光速，λ为波长，第一区段起始单元为第一区段折射率最大的单元，y为超材料垂直方向上距离I0的距离。从图2a及图2b中可以看出，S为波源10垂直于超材料20平面上的第一区段起始单元201与波源10的直线距离，f为波源10之频率，c为光速，第一单元的折射率最大；Y0为超材料20在垂直方向上第一区段起始位置(可以等效为平面上的Y轴)，y(1取值为零，由于超材料沿垂直方向分成若干区段，即第I区段对应的长度范围为I0至yi ;第二区段对应的长度范围为为yi至72 ;依次类推。之所以分成各区段是由于工艺的限制，如超材料20折射率有一定的范围分布工艺比较容易达到，且每一区段的折射率均从大到小变化，超材料20各单元之折射率以第一区段起始单元201为上下对称分布。从图I中可以看出，通过超材料20母线的电磁波不会改变原来的方向，不通过超材料20母线的电磁波经过该超材料20后由发散的电磁波(如图I中虚线所示)变成了平行波(如图I中实线所示)，从而实现了电磁波的压缩。
从图I还可以看出，为了更高的效率，由三片不同的超材料片状基板11层叠起来折射电磁波的，图中只是举例，实际应用中，由于应用的需要，可以四片、五片、六片等超材料片状基板11加以层叠，为了更高的效率，人造微结构2在基材I上形成周期阵列，特别是均匀性周期阵列为佳。图2为本发明实施例超材料20的截面图，虽然仅用一个片状基板11也可以实现汇聚效果，实际上为了更好的折射效果，通常由以上所述的多个片状基板11组成一个超材料组合体20来应用的。基材I分成若干晶格，“晶格”的概念来自固体物理，这里的“晶格”是指在超材料中每个人造微结构2所占用的尺寸。“晶格”尺寸取决于人造微结构2需要响应的折射率分布，通常人造微结构2的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一。人造微结构2置于晶格形成一个单元，所述单元的折射率在基材I选定的情况下，改变人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排列通过仿真而获得折射率。·超材料可以对电场或者磁场，或者两者同时进行相应。对电场的响应取决于超材料的介电常数ε，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率μ。通过对超材料空间中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确控制，我们可以实现通过超材料对电磁波的影响。超材料的电磁参数在空间中的均匀或者非均匀的分布是超材料20的重要特征之一。电磁参数在空间中的均匀分布为非均匀分布的一种特殊形式，但其具体特性，仍然是由空间中排列的各个单元结构的特性所决定。因此，通过设计空间中排列的每个结构的特性，就可以设计出整个超材料在空间中每一点的电磁特性，这种电磁材料系统将会具有众多奇异特性，对电磁波的传播可以起到特殊的引导作用。在本发明的压缩电磁波的超材料中，基材I由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。优选地，选用FR4、F4B、聚四氟乙烯，这类材料电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为人造微结构2附着的基材I是很好的选择。在本发明的压缩电磁波的超材料中，所述的人造微结构2为一具有图案的附着在基材I上的金属线。在本发明的压缩电磁波的超材料中，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材I上。在本发明的压缩电磁波的超材料中，所述金属线为铜线或银线。如图3所示，作为一个具体的实施例，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，所述第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线24。所述第一主线21及第二主线22相互平分，所述两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，所述两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。在这个实施例中，各向同性的情况为第一主线与第二主线长度相同；第一分支与第二分支长度也相同；当然，这里只是举了一个简单的例子，金属线的图案还可以为其它的，如图4-图6所示。其中图4-图6为上述图案的衍生，即在两个第一支线和两个第二支线的两端均再加两个支线，依此类推，还可以有很多其它的衍生图案；本发明并不能对此一一列举。图中只是示意，实际上第一主线、第二主线、第一支线及第二支线都是有宽度的。上述的4个例子都是可影响折射率分布的人造微结构2 ;另外还有许多可影响折射率分布的人造微结构2，如在许多文献中都被引用到的开口谐振环结构。另外人造微结构2还可以有很多变形图案，本发明并不能对此一一列举。在基材I选定的情况下，可以通过设计人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的折射率分布结果(即应满足实施例一中所示的公式)，或者说，通过设计人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布，即可设计出超材料20在空间中每一区段最大与最小的折射率，从而决定每一区段的折射率，至于怎么得到人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的折射率排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，首先我们确定需要的折射率分布结果，根据此结果去设计超材料整体的折射率分布结果，再从整体出发计算出空间中每一点的折射率分布结果，根据每一点的折射率分布来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种人造微结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的人造微结构，计算折射率 分布结果，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的折射率为止，若找到了，则完成了人造微结构2的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的人造微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的折射率分布结果为止。如果还是未找至IJ，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的折射率分布结果的人造微结构后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。实施本发明的超材料，具有以下有益效果I.体积小，不占用过多的空间；2.简单、易于实现、低成本、保持有柱面镜的折射聚焦性、同时更有效地降低透镜的光学损失；3.能让发散的电磁波变成平行波发射，从而压缩了原来的电磁波。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，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。
权利要求
1.一种压缩电磁波的超材料，其特征在于，包括基材以及多个人造微结构，所述基材分成多个晶格，一个人造微结构置于一个晶格中形成一个单元，所述超材料分成多个区段，每一区段折射率由大到小渐变，所述每一区段长度满足下列公式
2.根据权利要求I所述的压缩电磁波的超材料，其特征在于，所述超材料由多个片状基板层叠形成，每个片状基板均由基材以及多个人造微结构组成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。
3.根据权利要求2所述的压缩电磁波的超材料，其特征在于，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。
4.根据权利要求I所述的压缩电磁波的超材料，其特征在于，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得所述的折射率。
5.根据权利要求I所述的压缩电磁波的超材料，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
6.根据权利要求I所述的压缩电磁波的超材料，其特征在于，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。
7.根据权利要求6所述的压缩电磁波的超材料，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材上。
8.根据权利要求6所述的压缩电磁波的超材料，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。
9.根据权利要求6所述的压缩电磁波的超材料，其特征在于，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线。
10.根据权利要求9所述的压缩电磁波的超材料，其特征在于，所述第一主线及第二主线相互平分，所述第一支线的中心连接在第一主线上，所述第二支线的中心连接在第二主线上。
全文摘要
本发明公开了一种压缩电磁波的超材料，包括基材以及多个人造微结构，所述基材分成多个晶格，一个人造微结构置于一个晶格中形成一个单元，所述超材料分成多个区段，每一区段折射率由大到小渐变，所述每一区段长度满足下列公式所述所分区段内的单元折射率满足以下公式i为分区段数，取值为自然数，当i＝1时，y0＝0，S为波源垂直超材料平面上的第一区段起始单元与所述波源的直线距离，f为波源之频率，c为光速，λ为波长，所述起始单元为第一区段折射率最大的单元。本发明提供的超材料能让发散状的电磁波变成平行波发射，具有收缩电磁波的效果。
文档编号G02B3/00GK102890298SQ20111011387
公开日2013年1月23日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛, 尹小明 申请人:深圳光启高等理工研究院, 深圳光启创新技术有限公司