局部光轴旋转的超材料及实现超材料局部光轴旋转的方法

摘要

本发明涉及一种局部光轴发生旋转的超材料，所述超材料包括基材以及附着在基材上的多个人造微结构，至少一个人造微结构的电磁参数张量不同于其它处，使得超材料在该局部的光轴相对其它处发生旋转。根据本发明的局部光轴发生旋转的超材料，只需要设计局部的电磁参数张量就可以使得局部光轴发生旋转，简单可行。本发明还涉及一种实现超材料局部光轴旋转的方法。

说明书

技术领域

本发明属于超材料领域，具体地涉及一种局部光轴旋转的超材料及实现超 材料局部光轴旋转的方法。

背景技术

各项异性在自然界并不鲜见，例如晶体的各向异性即沿晶格的不同方向， 原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学 特性也不同，这就是晶体的各向异性。就电磁特性来说，各向异性材料在空 间中，每一点的电磁参数并不完全相同，而各向同性材料在空间中的每一 点的电磁参数都相同。

晶体虽然具有各向异性，但由于组成晶体的原子间的固有关系，表示电磁 参数的矩阵并不能任意选择，并且晶体的不同部分(晶元)的各向异性是一样 的。因此，晶体的局部光轴方向光通常是固定的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的晶体局部光轴不能随意改变的 缺陷，提供一种局部光轴发生旋转的超材料以及实现超材料局部光轴旋转的方 法。

本发明的局部光轴旋转的超材料，包括基材以及附着在基材上的多个人造 微结构，至少一个人造微结构的电磁参数张量不同于其它处，使得超材料在该 局部的光轴相对其它处发生旋转。

进一步地，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠形成，每个片状基板 上均附着有多个人造微结构。

进一步地，在各个片状基板上，所有的人造微结构的结构相同，且所有的 人造微结构在各个片状基板上的排布也相同。

进一步地，所述人造微结构为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具 有图案的附着在片状基板上的金属线，所述金属线的图案为一非90度旋转对 称图形。

进一步地，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的 方法附着在片状基板上。

进一步地，所述金属线呈I形。

进一步地，所述片状基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁 磁材料制得。

进一步地，所述金属线为铜线或银线。

根据本发明的局部光轴旋转的超材料，由于不同的电磁参数张量对应于不 同的折射率椭球，即不同的电磁参数张量具有不同的光轴，因此，本发明中的 局部光轴旋转的超材料，通过在超材料中设置至少一个人造微结构的电磁参数 张量不同于其它处，使得超材料在该局部的光轴相对其它处发生旋转。

本发明的实现超材料局部光轴旋转的方法如下，设计超材料中的至少一个 人造微结构的电磁参数张量不同于其它处，使得超材料在该局部的光轴相对其 它处发生旋转。

根据本发明的实现超材料局部光轴旋转的方法，由于不同的电磁参数张量 对应于不同的折射率椭球，即不同的电磁参数张量具有不同的光轴，因此通过 设计超材料中至少一个人造微结构的电磁参数张量不同于其它处，使得超材料 在该局部的光轴相对其它处发生旋转。

附图说明

图1是本发明所提供的超材料一个实施例中光轴的分布示意图；

图2是本发明所提供的超材料另一个实施例中光轴的分布示意图；

图3是图1所示的光轴分布图所对应的一种形式的超材料采用I形金属微 结构的排布示意图；

图4是图2所示的光轴分布图所对应的一种形式的超材料采用I形金属微 结构的排布示意图；

图5为二维雪花状的金属微结构；

图6为图5所示图案变形得到的另一个金属微结构的图案；

图7为图5所示图案变形得到的另一个金属微结构的图案；

图8为图5所示图案变形得到的另一个金属微结构的图案。

具体实施方式

“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″具有的三个重要特征：

(1)“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″性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。

如图1至4所述，本发明的局部光轴旋转的超材料，包括基材1以及附着 在基材1上的多个人造微结构2，至少一个人造微结构2的电磁参数张量不同 于其它处，使得超材料在该局部的光轴相对其它处发生旋转。此处的电磁参数 是指介电常数以及磁导率。电磁参数张量不同可以有以下几种情况，介电常数 张量不同，磁导率张量不同，介电常数张量与磁导率张量均不同。电磁参数张 量的不同决定着不同的折射率椭球20，因此决定了不同的光轴方向。因此改 变局部电磁参数张量，可以达到旋转局部光轴的目的。此处的旋转是指电磁参 数张量不同的一个或多个局部的光轴相对于其它处的光轴具有一个不等于0 的夹角。

作为本发明的一个实施例，所述基材1由多个相互平行的片状基板11堆 叠形成，每个片状基板11上均附着有多个人造微结构2。如图3到图4所示， 片状基板11堆叠方向为垂直于纸面的方向。更为优选地，在各个片状基板11 上，所有的人造微结构2的结构相同，且所有的人造微结构2在各个片状基板 11上的排布也相同，如果我们将一个片状基板与其上附着的人造微结构看成 一个组件，则整个超材料相当于由相互平行的多个所述组件堆叠形成。这样做 的好处是可以简化工艺，当然人造微结构的结构不相同也可以，因为不同结构 的人造微结构也可以实现相同的电磁参数张量。实际做产品的时候，还可以对 其进行封装，使得从外部看不到人造微结构，封装的材料与基材相同。

作为一个实施例，所述人造微结构2为金属微结构，所述的每个金属微结 构为一具有图案的附着在片状基板11上的金属线。所述金属线的图案为一非 90度旋转对称图形，非90度旋转对称图形是90度旋转对称的相对概念，所 谓90度旋转对称是指，一图形沿其对称中心向任意方向旋转90度后都与原图 形重合，具有此图形的金属微结构构成的单元格表现出各向同性(即单元格空 间内的电磁参数张量每点都相同)。反之，具有非90度旋转对称的图形的金属 微结构构成的单元格则表现为各向异性(即单元格空间内并不是每点的电磁参 数张量均相同)。呈各向异性的金属微结构，其旋转一定角度后(此角度保证 旋转后不重合)，其电磁参数张量空间排布发生改变，因此折射率椭球也发生 改变，从而光轴相应地也实现了旋转。

作为一个实施例，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离 子刻的方法附着在片状基板11上。当然，也可以是三维激光加工等其它可行 的加工方法。

在入射电磁波的特性确定的情况下，根据需要的出射电磁波的特性(局部 光轴改变可以实现很多普通材料无法实现的功能，使得出射波的特性可以人为 控制)来设计本发明的局部光轴旋转的超材料。例如，可以先选定基材与金属 微结构的材料，再通过改变金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在 空间中的排布来获得想要的出射电磁波特性。这是因为，通过改变金属微结构 的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，即可改变超材料空间中 每一单元格的电磁参数ε和μ，从而改变相应单元格的折射率n，即每一单元 格的光轴方向可以自行设计。至于怎么得到金属微结构的图案、设计尺寸和/ 或金属微结构在空间中的排布，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，首先根据想要的出射电磁波特性确定超材料极化转换 器整体的电磁参数分布，再从整体出发计算出空间中每一单元格的电磁参数分 布，根据这每一单元格的电磁参数来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸 和/或金属微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种金属微结构数 据)。对每个单元格的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的金 属微结构，计算电磁参数，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电磁参数为止，若找到了，则完成了金属微结构的设计 参数选择；若没找到，则换一种图案的金属微结构，重复上面的循环，一直到 找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也 就是说只有找到了我们需要的电磁参数的金属微结构后，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。

图1为本发明所提供的超材料一个实施例中光轴的分布示意图。本实施例 中，只有一个光轴n_e1发生了旋转，n_e2表示其它光轴，n_e1与n_e2有一不为0的 夹角。则在设计时，使得光轴n_e1对应的金属微结构在此处的电磁参数张量不 同于其它处，使得超材料在该局部的光轴n_e1相对其它处n_e2发生旋转。图2 所示本发明所提供的超材料另一个实施例中光轴的分布示意图，本实施例中， 只有光轴n_e1发生了旋转的部位处于超材料的左上角和右下角，n_e2表示其它光 轴，n_e1与n_e2有一不为0的夹角。图3是图1所示的光轴分布图所对应的一种 形式的超材料采用I形金属微结构的排布示意图；图4是图2所示的光轴分布 图所对应的一种形式的超材料采用I形金属微结构的排布示意图。上述两个例 子都是示意性的，根据不同需要，可以作如下变化：

(1)光轴n_e1相对n_e2可以有不同的旋转角度(但旋转后不重合)；

(2)光轴n_e1可以是一处，也可以是多处，也就是说可以实现光轴一个或 多个局部的旋转；

(3)金属微结构还可以有其它结构形式；作为一个实施例，如图4至图 5所示，所述金属微结构呈I形。I形为非旋转90度对称图形，具有此图形的 金属微结构构成的单元格表现为各向异性。因此通过旋转I形图案的金属微结 构可以实现光轴的旋转。I形为比较容易得到的金属微结构图形，加工相当简 单，其可以有很多替代品；如图5的二维雪花状的金属微结构，即可替代上述 的I形金属微结构，实现光轴的局部旋转；图6至8为图5的一些变形，也能 达到目的。应当理解，I形金属微结构以及图5至图8所示的金属微结构都只 是其中的几个例子。任何呈各向异性的金属微结构，其旋转一定角度后(此角 度保证旋转后不重合)，其电磁参数张量空间排布都会发生改变，因而光轴都 会相应地实现旋转。

本发明的所述片状基板11可以由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材 料或铁磁材料制得。作为一个实施例，选用高分子材料中的聚四氟乙烯来制成 片状基板。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，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，作为金属微结构附着的 基材是很好的选择。当然也可以选用FR4或F4b等复合材料。

作为一个实施例，所述金属线为铜线或银线。铜与银的导电性能好，对电 场的响应更加灵敏。

本发明的实现超材料局部光轴旋转的方法如下，设计超材料中的至少一个 人造微结构的电磁参数张量不同于其它处，使得超材料在该局部的光轴相对其 它处发生旋转。

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。