專利名稱：局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料及實(shí)現(xiàn)超材料局部光軸旋轉(zhuǎn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超材料領(lǐng)域，具體地涉及一種局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料及實(shí)現(xiàn)超材料局部光軸旋轉(zhuǎn)的方法。
背景技術(shù)：
各項(xiàng)異性在自然界并不鮮見，例如晶體的各向異性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導(dǎo)致晶體在不同方向的物理化學(xué)特性也不同，這就是晶體的各向異性。就電磁特性來說，各向異性材料在空間中，每一點(diǎn)的電磁參數(shù)并不完全相同，而各向同性材料在空間中的每一點(diǎn)的電磁參數(shù)都相同。晶體雖然具有各向異性，但由于組成晶體的原子間的固有關(guān)系，表示電磁參數(shù)的矩陣并不能任意選擇，并且晶體的不同部分(晶元)的各向異性是一樣的。因此，晶體的局部光軸方向光通常是固定的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有的晶體局部光軸不能隨意改變的缺陷，提供一種局部光軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)的超材料以及實(shí)現(xiàn)超材料局部光軸旋轉(zhuǎn)的方法。本發(fā)明的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，包括基材以及附著在基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)，至少一個人造微結(jié)構(gòu)的電磁參數(shù)張量不同于其它處，使得超材料在該局部的光軸相對其它處發(fā)生旋轉(zhuǎn)。進(jìn)一步地，所述基材由多個相互平行的片狀基板堆疊形成，每個片狀基板上均附著有多個人造微結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，在各個片狀基板上，所有的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，且所有的人造微結(jié)構(gòu)在各個片狀基板上的排布也相同。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為金屬微結(jié)構(gòu)，所述的每個金屬微結(jié)構(gòu)為一具有圖案的附著在片狀基板上的金屬線，所述金屬線的圖案為一非90度旋轉(zhuǎn)對稱圖形。進(jìn)一步地，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在片狀基板上。進(jìn)一步地，所述金屬線呈I形。進(jìn)一步地,所述片狀基板由陶瓷、聞分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。進(jìn)一步地，所述金屬線為銅線或銀線。根據(jù)本發(fā)明的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，由于不同的電磁參數(shù)張量對應(yīng)于不同的折射率橢球，即不同的電磁參數(shù)張量具有不同的光軸，因此，本發(fā)明中的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，通過在超材料中設(shè)置至少一個人造微結(jié)構(gòu)的電磁參數(shù)張量不同于其它處，使得超材料在該局部的光軸相對其它處發(fā)生旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)超材料局部光軸旋轉(zhuǎn)的方法如下，設(shè)計超材料中的至少一個人造微結(jié)構(gòu)的電磁參數(shù)張量不同于其它處，使得超材料在該局部的光軸相對其它處發(fā)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)超材料局部光軸旋轉(zhuǎn)的方法，由于不同的電磁參數(shù)張量對應(yīng)于不同的折射率橢球，即不同的電磁參數(shù)張量具有不同的光軸，因此通過設(shè)計超材料中至少一個人造微結(jié)構(gòu)的電磁參數(shù)張量不同于其它處，使得超材料在該局部的光軸相對其它處發(fā)生旋轉(zhuǎn)。


圖I是本發(fā)明所提供的超材料一個實(shí)施例中光軸的分布示意圖；圖2是本發(fā)明所提供的超材料另一個實(shí)施例中光軸的分布示意圖；圖3是圖I所示的光軸分布圖所對應(yīng)的一種形式的超材料采用I形金屬微結(jié)構(gòu)的排布意圖；圖4是圖2所示的光軸分布圖所對應(yīng)的一種形式的超材料采用I形金屬微結(jié)構(gòu)的 排布意圖；圖5為二維雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)；圖6為圖5所示圖案變形得到的另一個金屬微結(jié)構(gòu)的圖案；圖7為圖5所示圖案變形得到的另一個金屬微結(jié)構(gòu)的圖案；
圖8為圖5所示圖案變形得到的另一個金屬微結(jié)構(gòu)的圖案。
具體實(shí)施例方式“超材料"是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能?！俺牧?具有的三個重要特征(I) “超材料"通常是具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；(2) “超材料"具有超常的物理性質(zhì)(往往是自然界的材料中所不具備的)；(3) “超材料"性質(zhì)由構(gòu)成材料的本征性質(zhì)及其中的人造微結(jié)構(gòu)共同決定。如圖I至4所述，本發(fā)明的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，包括基材I以及附著在基材I上的多個人造微結(jié)構(gòu)2，至少一個人造微結(jié)構(gòu)2的電磁參數(shù)張量不同于其它處，使得超材料在該局部的光軸相對其它處發(fā)生旋轉(zhuǎn)。此處的電磁參數(shù)是指介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率。電磁參數(shù)張量不同可以有以下幾種情況，介電常數(shù)張量不同，磁導(dǎo)率張量不同，介電常數(shù)張量與磁導(dǎo)率張量均不同。電磁參數(shù)張量的不同決定著不同的折射率橢球20，因此決定了不同的光軸方向。因此改變局部電磁參數(shù)張量，可以達(dá)到旋轉(zhuǎn)局部光軸的目的。此處的旋轉(zhuǎn)是指電磁參數(shù)張量不同的一個或多個局部的光軸相對于其它處的光軸具有一個不等于0的夾角。作為本發(fā)明的一個實(shí)施例，所述基材I由多個相互平行的片狀基板11堆疊形成，每個片狀基板11上均附著有多個人造微結(jié)構(gòu)2。如圖3到圖4所示，片狀基板11堆疊方向?yàn)榇怪庇诩埫娴姆较?。更為?yōu)選地，在各個片狀基板11上，所有的人造微結(jié)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)相同，且所有的人造微結(jié)構(gòu)2在各個片狀基板11上的排布也相同，如果我們將一個片狀基板與其上附著的人造微結(jié)構(gòu)看成一個組件，則整個超材料相當(dāng)于由相互平行的多個所述組件堆疊形成。這樣做的好處是可以簡化工藝，當(dāng)然人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不相同也可以，因?yàn)椴煌Y(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)相同的電磁參數(shù)張量。實(shí)際做產(chǎn)品的時候，還可以對其進(jìn)行封裝，使得從外部看不到人造微結(jié)構(gòu)，封裝的材料與基材相同。作為一個實(shí)施例，所述人造微結(jié)構(gòu)2為金屬微結(jié)構(gòu)，所述的每個金屬微結(jié)構(gòu)為一具有圖案的附著在片狀基板11上的金屬線。所述金屬線的圖案為一非90度旋轉(zhuǎn)對稱圖形，非90度旋轉(zhuǎn)對稱圖形是90度旋轉(zhuǎn)對稱的相對概念，所謂90度旋轉(zhuǎn)對稱是指，一圖形沿其對稱中心向任意方向旋轉(zhuǎn)90度后都與原圖形重合，具有此圖形的金屬微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單元格表現(xiàn)出各向同性(即單元格空間內(nèi)的電磁參數(shù)張量每點(diǎn)都相同)。反之，具有非90度旋轉(zhuǎn)對稱的圖形的金屬微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單元格則表現(xiàn)為各向異性(即單元格空間內(nèi)并不是每點(diǎn)的電磁參數(shù)張量均相同)。呈各向異性的金屬微結(jié)構(gòu)，其旋轉(zhuǎn)一定角度后(此角度保證旋轉(zhuǎn)后不重合)，其電磁參數(shù)張量空間排布發(fā)生改變，因此折射率橢球也發(fā)生改變，從而光軸相應(yīng)地也實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)。作為一個實(shí)施例，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在片狀基板11上。當(dāng)然，也可以是三維激光加工等其它可行的加工方法。 在入射電磁波的特性確定的情況下，根據(jù)需要的出射電磁波的特性(局部光軸改變可以實(shí)現(xiàn)很多普通材料無法實(shí)現(xiàn)的功能，使得出射波的特性可以人為控制)來設(shè)計本發(fā)明的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料。例如，可以先選定基材與金屬微結(jié)構(gòu)的材料，再通過改變金屬微結(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布來獲得想要的出射電磁波特性。這是因?yàn)?，通過改變金屬微結(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布，即可改變超材料空間中每一單元格的電磁參數(shù)e和U，從而改變相應(yīng)單元格的折射率n，即每一單元格的光軸方向可以自行設(shè)計。至于怎么得到金屬微結(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布，這個方法是多種的，舉個例子，可以通過逆向的計算機(jī)仿真模擬得到，首先根據(jù)想要的出射電磁波特性確定超材料極化轉(zhuǎn)換器整體的電磁參數(shù)分布，再從整體出發(fā)計算出空間中每一單元格的電磁參數(shù)分布，根據(jù)這每一單元格的電磁參數(shù)來選擇相應(yīng)的人造微結(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布(計算機(jī)中事先存放有多種金屬微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù))。對每個單元格的設(shè)計可以用窮舉法，例如先選定一個具有特定圖案的金屬微結(jié)構(gòu)，計算電磁參數(shù)，將得到的結(jié)果和我們想要的對比，對比再循環(huán)多次，一直到找到我們想要的電磁參數(shù)為止，若找到了，則完成了金屬微結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)選擇；若沒找到，則換一種圖案的金屬微結(jié)構(gòu)，重復(fù)上面的循環(huán)，一直到找到我們想要的電磁參數(shù)為止。如果還是未找到，則上述過程也不會停止。也就是說只有找到了我們需要的電磁參數(shù)的金屬微結(jié)構(gòu)后，程序才會停止。由于這個過程都是由計算機(jī)完成的，因此，看似復(fù)雜，其實(shí)很快就能完成。圖I為本發(fā)明所提供的超材料一個實(shí)施例中光軸的分布示意圖。本實(shí)施例中，只有一個光軸Iiejl發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，ne2表不其它光軸，nel與Iiej2有一不為0的夾角。則在設(shè)計時，使得光軸nel對應(yīng)的金屬微結(jié)構(gòu)在此處的電磁參數(shù)張量不同于其它處，使得超材料在該局部的光軸nel相對其它處ne2發(fā)生旋轉(zhuǎn)。圖2所示本發(fā)明所提供的超材料另一個實(shí)施例中光軸的分布示意圖，本實(shí)施例中，只有光軸nel發(fā)生了旋轉(zhuǎn)的部位處于超材料的左上角和右下角，ne2表不其它光軸，nel與ne2有一不為0的夾角。圖3是圖I所不的光軸分布圖所對應(yīng)的一種形式的超材料采用I形金屬微結(jié)構(gòu)的排布示意圖；圖4是圖2所示的光軸分布圖所對應(yīng)的一種形式的超材料采用I形金屬微結(jié)構(gòu)的排布示意圖。上述兩個例子都是示意性的，根據(jù)不同需要，可以作如下變化(I)光軸n6l相對n62可以有不同的旋轉(zhuǎn)角度(但旋轉(zhuǎn)后不重合)；(2)光軸n6l可以是一處，也可以是多處，也就是說可以實(shí)現(xiàn)光軸一個或多個局部的旋轉(zhuǎn)；(3)金屬微結(jié)構(gòu)還可以有其它結(jié)構(gòu)形式；作為一個實(shí)施例，如圖4至圖5所示，所述金屬微結(jié)構(gòu)呈I形。I形為非旋轉(zhuǎn)90度對稱圖形，具有此圖形的金屬微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單元格表現(xiàn)為各向異性。因此通過旋轉(zhuǎn)I形圖案的金屬微結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)光軸的旋轉(zhuǎn)。I形為比較容易得到的金屬微結(jié)構(gòu)圖形，加工相當(dāng)簡單，其可以有很多替代品；如圖5的二維雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)，即可替代上述的I形金屬微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光軸的局部旋轉(zhuǎn)；圖6至8為圖5的一些變形，也能達(dá)到目的。應(yīng)當(dāng)理解，I形金屬微結(jié)構(gòu)以及圖5至圖8所示的金屬微結(jié)構(gòu)都只是其中的幾個例子。任何呈各向異性的金屬微結(jié)構(gòu)，其旋轉(zhuǎn)一定角度后(此角度保證旋 轉(zhuǎn)后不重合)，其電磁參數(shù)張量空間排布都會發(fā)生改變，因而光軸都會相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的所述片狀基板11可以由陶瓷、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。作為一個實(shí)施例，選用高分子材料中的聚四氟乙烯來制成片狀基板。聚四氟乙烯的電絕緣性非常好，因此不會對電磁波的電場產(chǎn)生干擾，并且具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性，使用壽命長，作為金屬微結(jié)構(gòu)附著的基材是很好的選擇。當(dāng)然也可以選用FR4或F4b等復(fù)合材料。作為一個實(shí)施例，所述金屬線為銅線或銀線。銅與銀的導(dǎo)電性能好，對電場的響應(yīng)更加靈敏。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)超材料局部光軸旋轉(zhuǎn)的方法如下，設(shè)計超材料中的至少一個人造微結(jié)構(gòu)的電磁參數(shù)張量不同于其它處，使得超材料在該局部的光軸相對其它處發(fā)生旋轉(zhuǎn)。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，所述超材料包括基材以及附著在基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少一個人造微結(jié)構(gòu)的電磁參數(shù)張量不同于其它處，使得超材料在該局部的光軸相對其它處發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，其特征在于，所述基材由多個相互平行的片狀基板堆疊形成，每個片狀基板上均附著有多個人造微結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，其特征在于，在各個片狀基板上，所有的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，且所有的人造微結(jié)構(gòu)在各個片狀基板上的排布也相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，其特 征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為金屬微結(jié)構(gòu)，所述的每個金屬微結(jié)構(gòu)為一具有圖案的附著在片狀基板上的金屬線，所述金屬線的圖案為一非90度旋轉(zhuǎn)對稱圖形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，其特征在于，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在片狀基板上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，其特征在于，所述金屬線呈I形。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，其特征在于，所述片狀基板由陶瓷、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的局部光軸旋轉(zhuǎn)的超材料，其特征在于，所述金屬線為銅線或銀線。
9.一種實(shí)現(xiàn)超材料局部光軸旋轉(zhuǎn)的方法，其特征在于，設(shè)計超材料中的至少一個人造微結(jié)構(gòu)的電磁參數(shù)張量不同于其它處，使得超材料在該局部的光軸相對其它處發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種局部光軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)的超材料，所述超材料包括基材以及附著在基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)，至少一個人造微結(jié)構(gòu)的電磁參數(shù)張量不同于其它處，使得超材料在該局部的光軸相對其它處發(fā)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的局部光軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)的超材料，只需要設(shè)計局部的電磁參數(shù)張量就可以使得局部光軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，簡單可行。本發(fā)明還涉及一種實(shí)現(xiàn)超材料局部光軸旋轉(zhuǎn)的方法。
文檔編號B82Y30/00GK102738587SQ20111008102
公開日2012年10月17日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 徐冠雄, 欒琳 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院