一种超材料折射率分布的设计方法及具有该折射率分布的超材料的制作方法
专利名称：一种超材料折射率分布的设计方法及具有该折射率分布的超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及人工电磁材料技术领域，尤其涉及ー种超材料。
背景技术：
“超材料”是指ー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。超材料内部的折射率分布是超材料表现出超常功能的关键部分，不同的折射率分布对应不同的功能。折射率分布越精确，所实现的功能越好。然而，目前的超材料折射率分布的设计方法一方面非常复杂，另一方面取的效果并不是很好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在干，针对现有技术的上述不足，提出一种计算方法简单、便于大规模推行且应用得到的超材料各方面指标优良的超材料折射率分布的设计方法。本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出ー种超材料，其包括由多片厚度相同、折射率分布相同的功能超材料片层叠加而成的功能层，每一功能超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，所述功能超材料片层的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布，圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同；所述功能超材料片层上的折射率分布通过如下步骤得到Sl 绘出超材料所处区域以及功能超材料片层各层的边界，此时超材料区域内填充空气，将馈源固定于超材料区域前方并使得馈源中心轴线与超材料区域中心轴线重合; 馈源辐射电磁波后测试并记录超材料功能层上第i层功能超材料片层的前表面的初始相位，第i层功能超材料片层的前表面各点的初始相位记为仍。(力，其中中心轴线处的初始相位记为仍Q(O)；
M,S2 根据公式η φι0(0) Γ，1 "腿\ π，得到整个超材料后表面的相位Π，
λ其中，M为构成超材料功能层的功能超材料片层的总层数，d为每层功能超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长，nmax为功能超材料片层所具有的最大折射率值；S3 根据公式η φι0(γ)「； ’\2π，代入步骤Sl中测试得到的初始相位
λ
仍。00以及步骤S2中得到的基准相位η，得出功能超材料片层的折射率分布η (y)，其中，y为功能超材料片层上任一点距功能超材料片层中心轴线的距离。进ー步地，所述超材料还包括对称设置于功能层两侧的第一至第N层阻抗匹配层，其中，两层第N阻抗匹配层紧贴所述功能层。
进ー步地，所述第一至第N层阻抗匹配层为第一至第N匹配超材料片层，每层匹配超材料片层包括第二基材以及周期排布于第二基材的多个第二人造金属微结构；每层匹配超材料片层的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布，圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同；第一至第N匹配超材料片层上相同半径处的折射率不相同。进ー步地，所述第一至第N匹配超材料片层与所述功能超材料片层的折射率分布 n(y)的关系为
权利要求
1.ー种超材料，其特征在于所述超材料包括由多片厚度相同、折射率分布相同的功能超材料片层叠加而成的功能层，每一功能超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，所述功能超材料片层的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布， 圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同；所述功能超材料片层上的折射率分布通过如下步骤得到Sl 绘出超材料所处区域以及功能超材料片层各层的边界，此时超材料区域内填充空气，将馈源固定于超材料区域前方并使得馈源中心轴线与超材料区域中心轴线重合；馈源辐射电磁波后测试并记录超材料功能层上第i层功能超材料片层的前表面的初始相位，第 i层功能超材料片层的前表面各点的初始相位记为仍。(力，其中中心轴线处的初始相位记为仍。(0);Σ M ,-’ n^ *2π，得到整个超材料后表面的相位Ψ，λ其中，M为构成超材料功能层的功能超材料片层的总层数，d为每层功能超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长，nmax为功能超材料片层所具有的最大折射率值；S3 根据公式ψ = φ.η(y) - Σ, n^d * 1π，代入步骤Sl中测试得到的初始相位，、以及步骤S2中得到的基准相位Ψ，得出功能超材料片层的折射率分布η (y)，其中，y为功能超材料片层上任一点距功能超材料片层中心轴线的距离。
2.如权利要求1所述的超材料，其特征在于所述超材料还包括对称设置于功能层两侧的第一至第N层阻抗匹配层，其中，两层第N阻抗匹配层紧贴所述功能层。
3.如权利要求2所述的超材料，其特征在于所述第一至第N层阻抗匹配层为第一至第N匹配超材料片层，每层匹配超材料片层包括第二基材以及周期排布于第二基材的多个第二人造金属微结构；每层匹配超材料片层的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布， 圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同；第一至第N匹配超材料片层上相同半径处的折射率不相同。
4.如权利要求3所述的超材料，其特征在于所述第一至第N匹配超材料片层与所述功能超材料片层的折射率分布η (y)的关系为=^mn+ * (n(y) ~nmm)·,其中，j代表第一至第N匹配超材料片层的序号数，nfflin为所述功能超材料片层所具有的最小折射率值。
5.如权利要求3所述的超材料，其特征在于所述第一基材与所述第二基材材质相同， 所述第一基材与所述第二基材由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。
6.如权利要求3所述的超材料，其特征在于所述第一人造微结构与所述第二人造微结构材质和几何形状相同。
7.如权利要求6所述的超材料，其特征在于所述第一人造微结构与所述第二人造微结构为具有“エ”字形几何形状的金属微结构，所述金属微结构包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的两个第二金属分支。
8.如权利要求7所述的超材料，其特征在于所述金属微结构还包括位于每ー第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。
9.如权利要求6所述的超材料，其特征在于所述第一人造微结构与所述第二人造微结构为具有平面雪花型的几何形状的金属微结构，所述金属微结构包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。
10.ー种超材料折射率分布的设计方法，其特征在于包括步骤Sl 绘出超材料所处区域以及构成所述超材料的超材料片层各层的边界，在超材料区域内填充空气，将馈源固定于超材料区域前方并使得馈源中心轴线与超材料区域中心轴线重合；馈源辐射电磁波后测试并记录超材料片层上第i层超材料片层的前表面的初始相位，第i层超材料片层的前表面各点的初始相位记为仍。(力，其中中心轴线处的初始相位记为仍Q(O)；Σ M ,-’ n^ *2π，得到整个超材料后表面的相位Ψ，λ其中，M为超材料片层的总层数，d为每层超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长，nfflax为超材料片层所具有的最大折射率值；S3 根据公式ψ = (y) - Σ, n^d * 1π，代入步骤Sl中测试得到的初始相位，、以 ,ιθΚγ) λfP1Oiy)及步骤S2中得到的基准相位Ψ，得出超材料片层的折射率分布n(y)，其中，y为超材料片层上任一点距超材料片层中心轴线的距离。
全文摘要
本发明公开一种超材料，其包括由多片厚度相同、折射率分布相同的功能超材料片层叠加而成的功能层，每一功能超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，所述功能超材料片层的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布，圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同；所述功能超材料片层上的折射率分布由初始相位法得到。本发明中超材料片层上的折射率分布通过初始相位法得到，其应用范围广、且计算过程易于实现程序化、代码化，使用者仅需掌握代码的使用即可，便于大规模推广。
文档编号H01Q15/02GK102544742SQ20111033357
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛, 杨青 申请人:深圳光启高等理工研究院
技术领域：
本发明涉及人工电磁材料技术领域，尤其涉及ー种超材料。
背景技术：
“超材料”是指ー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。超材料内部的折射率分布是超材料表现出超常功能的关键部分，不同的折射率分布对应不同的功能。折射率分布越精确，所实现的功能越好。然而，目前的超材料折射率分布的设计方法一方面非常复杂，另一方面取的效果并不是很好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在干，针对现有技术的上述不足，提出一种计算方法简单、便于大规模推行且应用得到的超材料各方面指标优良的超材料折射率分布的设计方法。本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出ー种超材料，其包括由多片厚度相同、折射率分布相同的功能超材料片层叠加而成的功能层，每一功能超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，所述功能超材料片层的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布，圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同；所述功能超材料片层上的折射率分布通过如下步骤得到Sl 绘出超材料所处区域以及功能超材料片层各层的边界，此时超材料区域内填充空气，将馈源固定于超材料区域前方并使得馈源中心轴线与超材料区域中心轴线重合; 馈源辐射电磁波后测试并记录超材料功能层上第i层功能超材料片层的前表面的初始相位，第i层功能超材料片层的前表面各点的初始相位记为仍。(力，其中中心轴线处的初始相位记为仍Q(O)；
M,S2 根据公式η φι0(0) Γ，1 "腿\ π，得到整个超材料后表面的相位Π，
λ其中，M为构成超材料功能层的功能超材料片层的总层数，d为每层功能超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长，nmax为功能超材料片层所具有的最大折射率值；S3 根据公式η φι0(γ)「； ’\2π，代入步骤Sl中测试得到的初始相位
λ
仍。00以及步骤S2中得到的基准相位η，得出功能超材料片层的折射率分布η (y)，其中，y为功能超材料片层上任一点距功能超材料片层中心轴线的距离。进ー步地，所述超材料还包括对称设置于功能层两侧的第一至第N层阻抗匹配层，其中，两层第N阻抗匹配层紧贴所述功能层。
进ー步地，所述第一至第N层阻抗匹配层为第一至第N匹配超材料片层，每层匹配超材料片层包括第二基材以及周期排布于第二基材的多个第二人造金属微结构；每层匹配超材料片层的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布，圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同；第一至第N匹配超材料片层上相同半径处的折射率不相同。进ー步地，所述第一至第N匹配超材料片层与所述功能超材料片层的折射率分布 n(y)的关系为
权利要求
1.ー种超材料，其特征在于所述超材料包括由多片厚度相同、折射率分布相同的功能超材料片层叠加而成的功能层，每一功能超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，所述功能超材料片层的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布， 圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同；所述功能超材料片层上的折射率分布通过如下步骤得到Sl 绘出超材料所处区域以及功能超材料片层各层的边界，此时超材料区域内填充空气，将馈源固定于超材料区域前方并使得馈源中心轴线与超材料区域中心轴线重合；馈源辐射电磁波后测试并记录超材料功能层上第i层功能超材料片层的前表面的初始相位，第 i层功能超材料片层的前表面各点的初始相位记为仍。(力，其中中心轴线处的初始相位记为仍。(0);Σ M ,-’ n^ *2π，得到整个超材料后表面的相位Ψ，λ其中，M为构成超材料功能层的功能超材料片层的总层数，d为每层功能超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长，nmax为功能超材料片层所具有的最大折射率值；S3 根据公式ψ = φ.η(y) - Σ, n^d * 1π，代入步骤Sl中测试得到的初始相位，、以及步骤S2中得到的基准相位Ψ，得出功能超材料片层的折射率分布η (y)，其中，y为功能超材料片层上任一点距功能超材料片层中心轴线的距离。
2.如权利要求1所述的超材料，其特征在于所述超材料还包括对称设置于功能层两侧的第一至第N层阻抗匹配层，其中，两层第N阻抗匹配层紧贴所述功能层。
3.如权利要求2所述的超材料，其特征在于所述第一至第N层阻抗匹配层为第一至第N匹配超材料片层，每层匹配超材料片层包括第二基材以及周期排布于第二基材的多个第二人造金属微结构；每层匹配超材料片层的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布， 圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同；第一至第N匹配超材料片层上相同半径处的折射率不相同。
4.如权利要求3所述的超材料，其特征在于所述第一至第N匹配超材料片层与所述功能超材料片层的折射率分布η (y)的关系为=^mn+ * (n(y) ~nmm)·,其中，j代表第一至第N匹配超材料片层的序号数，nfflin为所述功能超材料片层所具有的最小折射率值。
5.如权利要求3所述的超材料，其特征在于所述第一基材与所述第二基材材质相同， 所述第一基材与所述第二基材由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。
6.如权利要求3所述的超材料，其特征在于所述第一人造微结构与所述第二人造微结构材质和几何形状相同。
7.如权利要求6所述的超材料，其特征在于所述第一人造微结构与所述第二人造微结构为具有“エ”字形几何形状的金属微结构，所述金属微结构包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的两个第二金属分支。
8.如权利要求7所述的超材料，其特征在于所述金属微结构还包括位于每ー第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。
9.如权利要求6所述的超材料，其特征在于所述第一人造微结构与所述第二人造微结构为具有平面雪花型的几何形状的金属微结构，所述金属微结构包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。
10.ー种超材料折射率分布的设计方法，其特征在于包括步骤Sl 绘出超材料所处区域以及构成所述超材料的超材料片层各层的边界，在超材料区域内填充空气，将馈源固定于超材料区域前方并使得馈源中心轴线与超材料区域中心轴线重合；馈源辐射电磁波后测试并记录超材料片层上第i层超材料片层的前表面的初始相位，第i层超材料片层的前表面各点的初始相位记为仍。(力，其中中心轴线处的初始相位记为仍Q(O)；Σ M ,-’ n^ *2π，得到整个超材料后表面的相位Ψ，λ其中，M为超材料片层的总层数，d为每层超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长，nfflax为超材料片层所具有的最大折射率值；S3 根据公式ψ = (y) - Σ, n^d * 1π，代入步骤Sl中测试得到的初始相位，、以 ,ιθΚγ) λfP1Oiy)及步骤S2中得到的基准相位Ψ，得出超材料片层的折射率分布n(y)，其中，y为超材料片层上任一点距超材料片层中心轴线的距离。
全文摘要
本发明公开一种超材料，其包括由多片厚度相同、折射率分布相同的功能超材料片层叠加而成的功能层，每一功能超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，所述功能超材料片层的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布，圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同；所述功能超材料片层上的折射率分布由初始相位法得到。本发明中超材料片层上的折射率分布通过初始相位法得到，其应用范围广、且计算过程易于实现程序化、代码化，使用者仅需掌握代码的使用即可，便于大规模推广。
文档编号H01Q15/02GK102544742SQ20111033357
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛, 杨青 申请人:深圳光启高等理工研究院
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