专利名称：一种超薄微波波片的制作方法
技术领域：
本发明属于光学材料技术领域，具体涉及一种微波波片。
背景技术：
随着微纳加工工艺的不断成熟，人们发现现有的天然媒质已无法满足人们对新型材料的要求。于是，科学家们开始构造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和复合媒质，我们称之为“特异介质”，而在本发明中运用到的则是专指对电磁波有奇特响应的“电磁特异介质”。简单的说，常规材料是由其分子或原子构成的，而分子和原子对外界电磁波的响应决定了这个材料的电磁性质。所以人们希望能构造某种人工的电磁分子原子，通常人们称之为材料的单元结构。只要了解了单元结构对电磁波的响应，那么由这些单元结构以某种阵列形式组合而成的材料，便会具有相同的电磁性质，这样的材料便具有广泛的应用前
旦
ο另一方面，我们知道传统意义上的光学波片是一种各向异性材料，由于一束电磁波的两个不同偏振方向上的分量在其内部传播速度不同，透射波中的这两个分量的相位变化量不同，而达到对总的透射电磁波的偏振的调控。问题在于不同分量在波片中传播速度的差别很小，一般来说介质的厚度要足够大才能有效地改变两个分量的相位差。虽然在光频段，这个问题不显著(光波波长为纳米级)，但在微波段，传统意义上波片将不再适用(微波波长为厘米级)。而且，传统波片的另一个局限性是其透射率无法达到100%，会有一定程度的能量损失。而对于由“特异介质”构成的材料，100%的透射率是可以实现的。因为在这个领域中，科学家们已经发现了多种电磁波全透射的机理，比如ABA三明治结构激发的全透射，另外还有由表面等离激元激发的全透射等。这些在“特异介质”领域奇特的全透射现象已经引起了人们的广泛关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种由“特异介质”构成的超薄的微波波片，此波片对5GHz 的电磁波完全透明，并且其透射波的偏振模式可以任意调控。本发明提供的超薄微波波片，是一种各向异性的全透射系统，对于一束正入射的电磁波，其在两个分量上的透射机理不相同，从而导致分别全透过的透射波的相位改变量不同，当两个分量的相位差达到90度时，本系统便可以实现任意偏振模式的转变。具体而言，本发明的超薄微波波片，其特点为
A、是基于“特异介质”(Metamaterials)的ABA结构形式的三块板叠合而成的波片体
系；
B、工作频率上的正入射电磁波，可以100%透过波片而无损耗； C、透射波的χ和y方向上的分量相位改变量相差为90度；D、理论和实验共同验证可以任意调控透射电磁波的偏振模式。本发明所述的超薄微波波片的结构为
a)是基于“特异介质”的ABA结构形式的三块板叠合而成的波片体系；整个体系是各向异性的，三块板中，每一块都是由若干单元结构阵列形成，例如为20X40单元结构的阵列；
b)、A板的单元采用分离的电磁共振结构，由一长方形金属铜片以一定几何尺寸镀在介质上组成，该金属铜片的中间为一长方形空缺，即金属铜片为一长方形环体。见图1所示。 一个实施例子为在一块21. 3mmX IOmm的铜片上的中心挖出一个llmmX9mm大小的空缺， 然后放置在24mmX 12mm的相对介电常数为3. 5的，0. 6mm厚的介质板上，即得到A板的单元。金属铜片的厚度为0.018mm;
c)、B板的单元由两块介质板和夹在两块介质板中间的金属片组成，其中，所述的金属片为网格结构形式。所述网格的线条(即铜条)的宽度可以为0. 8—1. 3mm，周期可以为10—14mm (即相互平行的网格的线条(即铜条)的中线距离为10—14 mm );金属片厚度为0. 018mm。见图2 所示。一个实施例子为网格的线条(即铜条)的宽度为1mm，以12mm为周期(相互平行的铜条的中线距离为12mm)，以网格状的形式镀在一块厚度为0. 6mm、相对介电常数为3. 5的介质板上。等所有铜条全部镀在介质板的一面上后，在以一块完全相同的介质板覆盖在铜条上，类似于把铜条网格的两个面覆上0. 6mm，相对介电常数3. 5的板。A板、B板和A板按图3所示的空间相对位置叠合。A板和B板完全对齐贴合。本发明设计的超薄微波波片，工作频率上的正入射电磁波，可以100%透过波片， 其中
a)、对于电场沿χ方向的电磁波，在频谱中，由表面等离激元激发的全透峰的频率为 5GHz，在工作频率上。b)、同时电场沿y方向的电磁波，由ABA结构激发的全透峰的频率为5GHz，也在工作频率上。当等比例缩放整个体系时，工作频率也按照比例发生相应的偏移。在现在所设计的尺寸下，ABA体系在其他频率下电磁波响应，用附图4来表示。由图4可见，当电场的偏振方向分别各自只平行χ或y方向的两种分量的电磁波，只有5GHz 才是共有的100%透射峰，而其他频率都有损耗。透射波的χ和y方向上的分量相位改变量相差为90度，其中
a)、对于电场沿χ方向的电磁波，第三个峰的全透现象是由表面等离激元激发，电磁波在穿透波片的时候主要以倏逝波的形式存在，而倏逝波本身几乎没有携带相位信息，因此透射相位改变量几乎为0。b)、对于电场沿y方向的电磁波，第二个峰的全透现象是由ABA结构激发，电磁波在穿透波片时等效于穿透一块阻抗匹配的高折射率的介质，因此透射相位有非常剧烈的改变。本发明通过调整几何参数可以使得透射相位刚好比y方向的慢90度。调整几何参数的方法举例如下通过改小A板金属单元结构中的中心空白矩形的长边和短边大小，即中心空白面积变小，使得金属铜片占有更大的面积，可以使y方向上由ABA三层耦合体系引起的第二个透射峰发生蓝移，即透射峰频率更高；而如果增大ABA每一层单元结构在χ方向上的周期，例如从24mm —个周期扩大到^toirn —个周期，χ方向上由表面等离激元激发的第三个透射峰将会发生红移，即透射峰频率更低，我们可以通过以上方法找到了一组尺寸参数， 使得两个透射峰频率重合。本发明的整个波片的厚度只有2-4mm，仅为波长的二十分之一左右。
图1为A板单元结构的平面图示。其中阴影部分为金属铜，镀在介质表面。图2为B板单元结构的平面图示。其中阴影部分为金属铜，被两块0. 6毫米厚的介质板压在中间。图3为ABA体系的工作示意图。图4为X，y两个偏振分量的透射系数一频率，透射相位一频率的关系图。其中， (a)电场沿χ方向的电磁波分量的透射系数随频率的关系，(b)电场沿y方向透射系数，(c) 电场沿χ方向的电磁波分量的透射相位随频率的关系，(d)电场沿y方向透射相位。
具体实施例方式本发明的设计和制作的具体过程如下
1、确立两个偏振方向上的不同透射机理分别为ABA耦合全透，和由表面等离激元激发的全透。2、确立整个体系是由ABA性质的三层板构成的，并且大致估计好单元结构的周期尺寸(样品中X方向长度为24mm，y方向长度为12mm，A板，B板的周期一致，如果χ方向的周期不是12mm的话，那么χ方向上工作频率上的峰就将发生偏移)，因为这个周期是影响表面等离激元激发全透现象的主要因素。3、ABA性质的三层板的基本要求，A板是一种由分离电磁共振单元组成的材料，一般来说，在微波频段，我们用到的电磁共振单元为金属铜，而其几何尺寸会对电磁响应有细微的差别；B板是由金属条组成的网格结构。这样以ABA的形式对称叠合在一起后便是整个微波波片。4、大致确定好体系的框架之后，需要微调结构中的各个金属部件的几何尺寸。现在假定波片是放置在xy平面内的，平面电磁波从ζ方向入射，那么我们调整几何尺寸的原则如下电磁波在y方向上的分量(即电场只在y方向上的分量)，由ABA机理会激发出 100%透射峰；χ方向上由表面等离激元也会激发一个100%透射峰，两个透射峰在一个频率， 5GHz，把此频率定义为工作频率，并且两者的透射相位刚好相差90度。具体方法为在商业数值模拟软件Comsol Multiphysics 3. 5中，用有限元方法进行微波频谱数值计算，在频率-透射率、频率-透射相位的关系中(附图4)分别验证上面的原则。最后确定，当整个体系的各个参数满足附图中的几何尺寸时正好满足所需要求，此时的工作频率正好为5GHz。 需要说明的是附图中只给出了 A板和B板的平面图，其实，A板和B板中的金属结构的厚度都为18微米，而A板的介质层厚度为0. 6毫米，B板的介质层厚度为1. 2毫米，体系中的介质的相对介电常数为3.5。5、其中两个方向透射波分量相位改变量相差90度的原因为对于电场沿χ方向的电磁波，全透现象是由表面等离激元激发，电磁波在穿透波片的时候主要以倏逝波的形式存在，而倏逝波本身没有携带相位信息，因此透射相位改变量几乎为0。而对于y方向，全透现象是由ABA结构激发，电磁波在穿透波片时等效于穿透一块阻抗匹配的高折射率的介质，因此透射相位有非常剧烈的改变，通过调整几何参数可以使透射相位刚好比y方向的慢90度。6、然后按照这套理论和数值模拟得到的关于整个体系的参数，运用工业上成熟的印刷电路板工艺分别制作出ABA三块材料板。最后制作出的材料板是以单元结构做成的20X40的阵列，每块板的总体面积为480mmX480mm，厚度不变(这些尺寸是按照 24mmX 12mm的单元结构来的)。这样当三块材料板以ABA对称形式结合后便能对工作频率上的电磁波进行任意偏振模式的调控了。一个实施例子为A板单元中，铜片大小为21. 3mm X 10mm,中心挖出一个 llmmX9mm大小的空缺，然后放置在24mmX 12mm的相对介电常数为3. 5的，0. 6mm厚的介质板上，即得到A板单元；金属铜片的厚度为0.018mm。B板单元中，网格的线条(即铜条)的宽度为1mm，周期为12mm (相互平行的铜条的中线距离为12mm)，以网格状的形式镀在一块 0. 6mm厚、相对介电常数为3. 5的介质板上。当所有铜条全部镀在介质板上后，再以一块完全相同的介质板覆盖在铜条上。即把铜条网格的两个面分别覆上0.6mm、相对介电常数3. 5 的介质板。本发明所说的可以任意调控电磁波的偏振模式，当然是首先确定入射波的偏振模式，然后做出需要的调控。下面以微波实验为基础，阐述下述几种情况的运用。微波实验中，利用喇叭中的天线作为电磁波激发源，然后经过喇叭的调制，发射出平面波源，可以根据天线的方向确定出射平面波的电场振动方向，并把电场方向定义为偏振方向。一般来说天线激发的平面波为单一偏振模式的线偏振电磁波。在空间坐标系中， 若电磁波沿ζ轴传播，那么电场只是沿着xy平面内的某个固定方向做线性振荡。现在以材料板单元结构的长边和短边建立xy坐标
1、入射波电场线偏振方向和χ轴夹角为45度。由于全透射，χ方向和y方向的分量模量都没有损耗，但是y方向相位比χ方向慢90度，于是透射波为圆偏振波。2、入射波电场线偏振方向和χ轴夹角为60度。同样两个分量的模量没有损耗，且相位相差90度，因此透射波为椭圆偏振，其长轴和短轴的比例为
3、夹角仍然为45度，我们用两套ABA体系，透射波的相位，y方向比χ方向慢180度， 那么透射波依旧是线偏振，但偏振的方向在xy平面内旋转到与原来入射波相互垂直的方向上。 最后需要说明的是本发明的调控机理完全取决于单元结构，而与阵列的大小无关，用户完全可以根据各自的需求制作出响应大小的材料板；另外，现在的工作频率在 5GHz，这个是由单元结构尺寸决定的，如果用户需要对微波波段内其他频率的电磁波进行调控，可以直接等比例同时放大或缩小所有尺寸参数，便可以达到同样的效果。
权利要求
1.一种超薄微波波片，其特征在于是基于“特异介质”的ABA结构形式的三块板叠合而成的波片体系；整个体系各向异性，三块板中，每一块都是由单元结构阵列形成；其中A板的单元采用分离的电磁共振结构材料，由一长方形金属铜片以一定几何尺寸镀在介质板上组成，该金属铜片的中间为一长方形空缺，即金属铜片为一长方形环体；B板的单元由两块介质板和夹在两块介质板中间的金属片组成，所述的金属片为网格结构形式；该超薄微波波片，在工作频率上的正入射电磁波，100%透过而无损耗； 透射波的χ和y方向上的分量相位改变量相差为90度。
2.根据权利要求1所述的超薄微波波片，其特征在于所述B板中，网格结构的网格线条宽度为0. 8—1. 3謹，周期为10—14謹。
3.根据权利要求1或2所述的超薄微波波片，其特征在于所述金属片的厚度为0.018mmD
4.根据权利要求1或2所述的超薄微波波片，其特征在于所述介质板厚度为0.6mm,相对介电常数为3.5。
5.根据权利要求1或2所述的超薄微波波片，其特征在于a)、对于电场沿χ方向的电磁波，在频谱中，由表面等离激元激发的全透峰的频率为 5GHz，在工作频率上；b)、同时电场沿y方向的电磁波，由ABA结构激发的全透峰的频率为5GHz，也在工作频率上。
全文摘要
本发明属于光学材料技术领域，具体为一种微波波片。本发明是基于“特异介质”制作的超薄微波波片，工作频率为5GHz。即对于正入射的5GHz平面电磁波，在达到100%透射的前提下，透射波的两个分量的透射相位改变量相差90度，因此可以任意调控透射波的偏振模式(如线偏振至圆偏振，至椭圆偏振，或者旋转线偏振的方向)，而整个波片的厚度只有3mm，仅为波长的二十分之一。整块波片由三块板组成，每块板都是各自单元结构的阵列，整个材料板是20×40的阵列。实际应用中，用户可以根据需要制作相应大小面积的波片，另外，等比例的放大缩小结构尺寸可以改变波片的工作频率。
文档编号H01Q15/00GK102176544SQ201110046869
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者乐永康, 何琼, 周磊, 孙午炯, 郝加明 申请人:复旦大学