基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡，它包括襯底以及設(shè)置在所述襯底上的、由周期性排布的結(jié)構(gòu)單元組成的表面金屬結(jié)構(gòu)，所述表面金屬結(jié)構(gòu)成軸對(duì)稱，所述結(jié)構(gòu)單元包括U型金屬片，且U型金屬片的槽深沿對(duì)稱軸向外側(cè)漸變。本實(shí)用新型能夠調(diào)控電磁波，實(shí)現(xiàn)透鏡對(duì)表面等離激元的相位調(diào)控；并且能夠通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的縮放，使其工作在微波、毫米波和太赫茲波等不同頻段。
【專利說明】基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及人工復(fù)合材料，尤其是一種可以調(diào)控表面等離激元相位的透鏡?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]在光波段，金屬具有負(fù)的介電常數(shù)，表面等離激元存在于金屬表面；而在微波、毫米波和太赫茲波段，金屬具有正的結(jié)點(diǎn)常數(shù)，表面波以索寞菲爾德波的形式存在，其束縛能力很差，使得難以在微波，毫米波和太赫茲波段設(shè)計(jì)表面波器件。
[0003]新型人工電磁材料是將具有特定幾何形狀的亞波長基本單元周期性/非周期性地排列，或者植入到基體材料體內(nèi)(或表面)所構(gòu)成的一種人工材料。新型人工電磁材料和傳統(tǒng)意義材料的區(qū)別就在于用宏觀尺寸單元代替了原來微觀尺寸單元(原子或分子)。
[0004]新型人工電磁材料的基本單元一般為亞波長尺寸的電/磁諧振器，具體可以采用金屬諧振結(jié)構(gòu)或者打孔介質(zhì)基板等。在研究本實(shí)用新型所述透鏡的過程中發(fā)現(xiàn):由于新型人工電磁材料的特性取決于其基本單元結(jié)構(gòu)，可通過人為控制諧振單元來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料所不能獲得的材料參數(shù)，針對(duì)表面波器件，材料參數(shù)為表面折射率η。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]實(shí)用新型目的:本實(shí)用新型要提供一種基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡，以解決上述問題，使表面等離激元能夠在微波、毫米波和太赫茲波段傳播；并實(shí)現(xiàn)透鏡對(duì)表面等離激元的相位調(diào)控。
[0006]技術(shù)方案:一種基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡，包括襯底以及設(shè)置在所述襯底上的、由周期性排布的結(jié)構(gòu)單元組成的表面金屬結(jié)構(gòu)，所述表面金屬結(jié)構(gòu)成軸對(duì)稱，所述結(jié)構(gòu)單元包括U型金屬片，且U型金屬片的槽深沿對(duì)稱軸向外側(cè)漸變。
[0007]若干個(gè)U型金屬片沿平行于對(duì)稱軸的方向排列成多行。位于同一行的U型金屬片的槽深相等。位于同一行的U型金屬片的間距相等。相鄰行的行間距相等。位于不同行上的U型金屬片的槽深不同，槽深從靠近對(duì)稱軸處向遠(yuǎn)離對(duì)稱軸處逐漸減小。所述襯底為采用聚四氟乙烯制作的介質(zhì)板。
[0008]有益效果:本實(shí)用新型的表面等離激元透鏡，可通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在微波、毫米波和太赫茲等波段對(duì)表面等離激元的相位調(diào)控；本實(shí)用新型的透鏡還具有性能穩(wěn)定、制作簡(jiǎn)單、工藝成熟、價(jià)格不高和便于推廣等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)單元的示意圖；
[0011]圖3a為實(shí)施例中一個(gè)單元距離的相位變化與單元槽深度的關(guān)系；圖3b為一個(gè)單元距離的相位變化和槽深度在不同行的分布；
[0012]圖4a和圖4b為仿真和測(cè)試近場(chǎng)分布對(duì)比?！揪唧w實(shí)施方式】
[0013]如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型基于新型人工電磁材料的表面等離激元透鏡主要包括襯底I和表面金屬結(jié)構(gòu)2。表面金屬結(jié)構(gòu)成軸對(duì)稱，由多個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成，結(jié)構(gòu)單元包括U型金屬片3。U型金屬片以水平中軸線為基準(zhǔn)排布成若干行；位于同一行的U型金屬片槽深相等，位于同一行上的U型金屬片間距相等，相鄰行的間距相等；位于不同行上的槽深不等，槽深從靠近對(duì)稱軸處向遠(yuǎn)離對(duì)稱軸處逐漸減小。透鏡的表面折射率兩邊漸變分布。
[0014]表面等離激元能夠在人工電磁材料上傳播，在于組成透鏡的金屬片單元能夠支持TE模式的表面波，這種表面波的色散曲線類似于光波段的表面等離激元。因此通過這種結(jié)構(gòu)化的單元使得表面等離激元能夠在低于光波段的頻段得到應(yīng)用。
[0015]圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)單元(人工電磁材料單元)的示意圖，其為在介質(zhì)板上刻蝕U型金屬片結(jié)構(gòu)，介質(zhì)板的材質(zhì)為聚四氟乙烯材質(zhì)，介電常數(shù)為2.2。
[0016]在其他實(shí)施例中，透鏡主體的表面折射率根據(jù)新型人工電磁材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)控，上述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括U型金屬片單元的長度和寬度、U型金屬片的槽深、位于同一行的U型金屬片的間距，以及相鄰行的間距；除此之外，還可以對(duì)上述槽深的變化規(guī)律進(jìn)行其他設(shè)計(jì)。根據(jù)工作頻段不同，可采用不同加工工藝實(shí)現(xiàn)。
[0017]另外，由于本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)漸變的媒質(zhì)參數(shù)，即漸變的表面折射率，這種性質(zhì)可以用于實(shí)現(xiàn)表面等離激元透鏡天線；在上述結(jié)構(gòu)中，可以對(duì)基本單元的排布進(jìn)行設(shè)計(jì)，以獲得符合透鏡主體折射率需求的透鏡，控制表面等離激元的相位分布。
[0018]轉(zhuǎn)到圖3a和圖3b，圖3a表現(xiàn)了新型人工電磁材料所支持的表面等離激元在沿透鏡水平軸線上的一個(gè)單元距離的相位變化與深度的關(guān)系。由于這個(gè)相位變化與表面折射率成正比，通過這個(gè)相位變化與深度的關(guān)系可以得到所設(shè)計(jì)表面等離激元透鏡的表面折射率分布。圖3b中線表現(xiàn)了離透鏡水平軸線不同縱向距離的新型人工電磁材料在一個(gè)單元距離的相位變化，h線(點(diǎn)畫線)表現(xiàn)了離透鏡水平軸線不同縱向距離的新型人工電磁材料單元的槽深，也即U型金屬片的槽深。
[0019]通過這樣在不同行的新型人工電磁材料單元中采用不同的槽深，實(shí)現(xiàn)對(duì)表面等離激元的相位控制。
[0020]對(duì)比圖4a和圖4b可見:仿真的近場(chǎng)分布與測(cè)試的近場(chǎng)分布具有很好的吻合。
[0021]總之，為了實(shí)現(xiàn)在微波、毫米波和太赫茲波段對(duì)表面等離激元進(jìn)行調(diào)控，本實(shí)用新型提利用人工電磁材料特有的電磁響應(yīng)，使得表面等離激元能夠在微波、毫米波和太赫茲波段傳播；并利用其可以任意調(diào)控電磁波的特性，實(shí)現(xiàn)了透鏡對(duì)表面等離激元的相位調(diào)控。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括結(jié)構(gòu)單元的長度和寬度，槽深，槽深的漸變規(guī)律等，單元的排布方式)的縮放，該透鏡適用于微波，毫米波和太赫茲波等不同頻段。
[0022]本實(shí)用新型通過在空間內(nèi)填充符合幾何光學(xué)理論或者光學(xué)變換理論的具有一定分布規(guī)律的人工電磁材料，并通過其的空間導(dǎo)波作用，控制在材料中的波的相位，實(shí)現(xiàn)透鏡定向傳輸或匯聚。此外，光學(xué)變換還可以自由控制透鏡的外形，從而獲得小體積易集成的透鏡透鏡陣列，以滿足不同系統(tǒng)的具體要求。
[0023]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡，其特征在于，包括襯底(I)以及設(shè)置在所述襯底上的、由周期性排布的結(jié)構(gòu)單元組成的表面金屬結(jié)構(gòu)(2)，所述表面金屬結(jié)構(gòu)成軸對(duì)稱，所述結(jié)構(gòu)單元包括U型金屬片(3)，且U型金屬片的槽深沿對(duì)稱軸向外側(cè)漸變。
2.如權(quán)利要求1所述的基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡，其特征在于，若干個(gè)U型金屬片沿平行于對(duì)稱軸的方向排列成多行。
3.如權(quán)利要求2所述的基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡，其特征在于，位于同一行的U型金屬片的槽深相等。
4.如權(quán)利要求2或3所述的基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡，其特征在于，位于同一行的U型金屬片的間距相等。
5.如權(quán)利要求2所述的基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡，其特征在于，相鄰行的行間距相等。
6.如權(quán)利要求2所述的基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡，其特征在于，位于不同行上的U型金屬片的槽深不同，槽深從靠近對(duì)稱軸處向遠(yuǎn)離對(duì)稱軸處逐漸減小。
7.如權(quán)利要求1所述的基于人工電磁材料的表面等離激元透鏡，其特征在于，所述襯底為采用聚四氟乙烯制作的介質(zhì)板。
【文檔編號(hào)】G02B3/00GK203398306SQ201320442246
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月23日
【發(fā)明者】崔鐵軍, 萬向 申請(qǐng)人:東南大學(xué)