專(zhuān)利名稱(chēng)：特異材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是特異材料(Metamaterial)。本發(fā)明的另一個(gè)領(lǐng)域是復(fù)合特異材料。本發(fā)明的另一個(gè)領(lǐng)域是透鏡和光學(xué)元件。本發(fā)明的另一個(gè)領(lǐng)域是磁性元件。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有包括本發(fā)明人及同事等所作出的范例，其中在本文稱(chēng)之為特異材料的人工構(gòu)造材料中獲得了在常規(guī)材料中要么目前無(wú)法觀(guān)察到、要么難以實(shí)現(xiàn)的電磁材料響應(yīng)。非常規(guī)的特異材料響應(yīng)的實(shí)例可在負(fù)折射率特異材料中發(fā)現(xiàn)，該材料在有限頻帶以上同時(shí)具有負(fù)介電系數(shù)(e )和導(dǎo)磁率(U )。由于負(fù)折射率是現(xiàn)有材料中不可得的一種材料特征，因此 負(fù)折射的基本性質(zhì)成為特異材料在材料物理學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵用途?？赏ㄟ^(guò)Drude-Lorentz (德魯特-洛侖茲)模型給出對(duì)材料響應(yīng)的概要說(shuō)明，其給出以下e和U的頻散形式s(m) = -Tff■■■■■■■■■■—
m -m;e + ii^m
激2= I — —-f".........,Z
+/TmO)這些形式或極其近似的表達(dá)式不僅可用于描述常規(guī)材料響應(yīng)，也可用于人工構(gòu)造的特異材料的響應(yīng)。在比諧振頻率(或大的頻率上，e或者U會(huì)具有負(fù)值。可設(shè)計(jì)出電或磁諧振方面沒(méi)有等同的已知材料的特異材料。電和磁諧振可處于特異材料結(jié)構(gòu)中的任何頻率上。具體地，通過(guò)組合電和磁結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在一頻帶上e和ii同時(shí)為負(fù)的材料。對(duì)于這種材料，由e和U乘積的平方根所確定的折射率是實(shí)數(shù)，表明這種材料對(duì)于輻射是透明的。但是，已示出當(dāng)e和U都為負(fù)時(shí)，平方根的符號(hào)的正確選擇是負(fù)。這樣，對(duì)于e和U都是負(fù)的材料，也可表征為負(fù)折射率材料(NM)?，F(xiàn)有技術(shù)中的特異材料包括由裂環(huán)諧振器(split ring resonator)陣列構(gòu)成的宏觀(guān)晶胞(macroscopic cell)的集合。這些例子在部分本發(fā)明人及同事的在先工作中描述。2001年3月16日申請(qǐng)的題為L(zhǎng)eft Handed Composite Media (左手復(fù)合介質(zhì))的公開(kāi)號(hào)為US-2001-0038325-A1及申請(qǐng)?zhí)枮?9/811，376的美國(guó)專(zhuān)利在此引用作為參考。負(fù)折射率材料的范例已證實(shí)有關(guān)負(fù)折射率材料會(huì)擁有的特征的各種理論。由于基礎(chǔ)物理學(xué)解釋總是考慮右手磁材料和正折射率，許多基礎(chǔ)電磁學(xué)和光學(xué)原理需要重新考慮
發(fā)明內(nèi)容
這里提供一些本發(fā)明特征的概述以強(qiáng)調(diào)本發(fā)明的某些方面。其它發(fā)明特征可在所附實(shí)施例的描述中找到。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，特異材料用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)效應(yīng)。這里所說(shuō)的光學(xué)兀件和光學(xué)效應(yīng)包括對(duì)可見(jiàn)光波長(zhǎng)以及對(duì)電磁波的控制。在本發(fā)明的實(shí)施例中，優(yōu)化負(fù)折射率材料以生成負(fù)折射率透鏡。在本發(fā)明的另一些實(shí)施例中，修改特異材料以形成衍射光學(xué)器件。在本本發(fā)明的另一些實(shí)施例中，修改特異材料以形成梯度折射率光學(xué)器件。在本發(fā)明的實(shí)施例中，光學(xué)器件具有可計(jì)量的效應(yīng)。計(jì)量(scaling)可用于制造特異材料，包括在寬頻(即從低頻(RF、微波)頻率到高頻(mm、THz))范圍內(nèi)的負(fù)折射率透鏡、衍射光學(xué)器件以及梯度折射率器件。本發(fā)明的負(fù)折射率特異材料透鏡比正折射率透鏡表現(xiàn)出減小的像差。作為示例實(shí)施例，本發(fā)明的一個(gè)平凹負(fù)折射率特異材料透鏡，折射率值為-0.61，使像差最小化。由于本發(fā)明的示范特異材料由宏觀(guān)晶胞形成，并由于物理特征(尺寸、電介質(zhì)材料類(lèi)型、相對(duì)位置、幾何結(jié)構(gòu)等)可改變，一般而言可使其它負(fù)折射率透鏡中及本發(fā)明的器件中的光學(xué)效應(yīng)最優(yōu)化。在THz及更低時(shí)該效應(yīng)更容易實(shí)現(xiàn)，但特異材料的性質(zhì)也允許在可見(jiàn)波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)光學(xué)效應(yīng)。
本發(fā)明的示范特異材料由多個(gè)宏觀(guān)晶胞形成。這在光學(xué)和其它器件的形成中具有許多優(yōu)勢(shì)。在本發(fā)明的衍射光學(xué)器件的情況下，特異材料的表面輪廓被修正成具有更廣的頻率帶寬(較小色差)和其它優(yōu)勢(shì)的衍射表面。特異材料的性質(zhì)還可逐晶胞地修正晶胞以生成梯度折射率光學(xué)元件。梯度折射率透鏡具有許多光學(xué)應(yīng)用。特異材料的優(yōu)勢(shì)在于可根據(jù)需要特別修正折射率輪廓以提供聚焦、射束控制、射束成形或其它光學(xué)功能。由于特異材料基于宏觀(guān)晶胞，可實(shí)現(xiàn)材料的逐晶胞地調(diào)整及有源控制。結(jié)合梯度折射構(gòu)思以及可由有源電子器件或電磁器件實(shí)現(xiàn)的上述控制，可實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性的光學(xué)器件。


圖I (a) -I (d)示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的各種視圖；圖2示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖3示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖4示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖5示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖6示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖7示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖8示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖9示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖10示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖11示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖12示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖13示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖14示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖15 (a)-15 (c)示出本發(fā)明的一種示例性特異材料；圖16示出本發(fā)明的一種示例性特異材料；
圖17(a) - 17(b)示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖18示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖19示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖20示出本發(fā)明的一種示例性特異材料；圖21 (a) -21 (b)概略示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的一個(gè)方面；圖22概略示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的一個(gè)方面；圖23(a)_23(e)示出本發(fā)明的一種示例性模塊特異材料；圖24(a)_24(d)概略示出在本發(fā)明的各種特異材料中使用的導(dǎo)體諧振器；
圖25(a)_25(i)概略示出用于制造本發(fā)明的特異材料的示例性方法；圖26(a)_26(b)示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖27示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖28示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖29示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖30示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的特性；圖31概略示出本發(fā)明的一種示例性特異材料的一個(gè)方面；
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例引入極大擴(kuò)展特異材料特性范圍的各種新的特異材料，使得具有新的物理和光學(xué)性質(zhì)，以及成為獨(dú)特的電磁器件。特異材料是一種人工構(gòu)造的材料，包括在一個(gè)或多個(gè)維度上構(gòu)圖的多個(gè)元件，每個(gè)元件在波傳播方向上的物理尺寸小于入射波長(zhǎng)或與其同量級(jí)，每個(gè)元件的結(jié)構(gòu)根據(jù)所施加的電磁場(chǎng)表現(xiàn)所需的電和磁極化。在許多(但不是全部)特異材料中，這些元件由導(dǎo)體制成并由電介質(zhì)基板支撐。這些元件的優(yōu)選實(shí)施例包括直導(dǎo)線(xiàn)導(dǎo)體點(diǎn)陣和裂環(huán)諧振器點(diǎn)陣。這里所用“由電介質(zhì)基板(或“主體”)支撐”中的術(shù)語(yǔ)“支撐”指的是廣義的理解，而不局限于保持在基板的表面上。例如，導(dǎo)體可包含或嵌入在電介質(zhì)基板內(nèi)而由電介質(zhì)基板支撐。這里所用的術(shù)語(yǔ)“電介質(zhì)”和“電介質(zhì)主體”廣義地指電絕緣材料，其介電常數(shù)大于或等于大約+1，優(yōu)選大于+1。電介質(zhì)主體可為氣體(例如空氣)，或可為基板(例如電介質(zhì)聚合物、玻璃和石英等)。示例性的特異材料包括支撐同樣元件例如導(dǎo)體的重復(fù)排列的晶胞(S卩，周期結(jié)構(gòu))的電介質(zhì)主體。其它示例性特異材料可由設(shè)計(jì)為在介電系數(shù)、磁導(dǎo)率、折射率或波阻抗這樣的一個(gè)或多個(gè)有效介質(zhì)參數(shù)方面形成梯度的元件的非均質(zhì)集合而形成。本發(fā)明是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)特殊功能的特異介質(zhì)。例如，本發(fā)明的實(shí)施例是設(shè)計(jì)在折射率上體現(xiàn)空間變化的特異介質(zhì)。本發(fā)明的其它實(shí)施例是制造特異介質(zhì)的方法。本發(fā)明的實(shí)施例可在光學(xué)元件和透鏡以及其它領(lǐng)域中得到有用的應(yīng)用?？衫斫膺@里所用的術(shù)語(yǔ)“光學(xué)元件”和“透鏡”是廣義的理解，不局限于只在光波長(zhǎng)上應(yīng)用的裝置。例如，“透鏡”可包括可用于控制例如不在可見(jiàn)頻率的電磁波的裝置。本發(fā)明的特異介質(zhì)(包括特異介質(zhì)透鏡)與傳播中的自由空間波相互作用，不限于任何維度方向。通過(guò)以下示例性實(shí)施例進(jìn)一步討論和說(shuō)明本發(fā)明。A在負(fù)折射率特異材料表面上的光柵的增強(qiáng)衍射
本發(fā)明的一個(gè)方面是負(fù)折射率材料，其表面特性被優(yōu)化以調(diào)整折射和衍射。已發(fā)現(xiàn)在正的和負(fù)的折射率材料之間的界面上與衍射光束的耦合得以增強(qiáng)。由于衍射光學(xué)元件實(shí)質(zhì)上是構(gòu)圖光柵(patterned grating),本發(fā)明的實(shí)施例采用負(fù)折射率材料的特殊光柵作為透鏡元件。光柵的設(shè)計(jì)可根據(jù)下式I。用這種關(guān)系，負(fù)折射率光柵透鏡可用常規(guī)的光學(xué)方法最優(yōu)化。本發(fā)明的該實(shí)施例的一個(gè)重要好處在于采用特異材料的效率高得多，使得可實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)有透鏡更緊湊的透鏡。—個(gè)示范實(shí)施例包括在任何合適頻率上形成并成型為設(shè)計(jì)成聚焦或者控制光或其它電磁波的光柵結(jié)構(gòu)的負(fù)折射率材料。在負(fù)折射率特異材料光楔樣本上的測(cè)量以及數(shù)值仿真表明，折射界面的不可避免的臺(tái)階——由于特異材料固有的有限晶胞尺寸造成的——可產(chǎn)生負(fù)折射光束之外的輪廓分明的衍射光束。衍射光束的方向與基本衍射理論一致；但是，與較高階光束的耦合比正折射率材料的情況大得多。最近具有負(fù)折射率(n)的人造材料的示范開(kāi)啟了應(yīng)用這些材料的探索，以研究新 的物理學(xué)及發(fā)展新的應(yīng)用。在負(fù)折射材料中預(yù)測(cè)出現(xiàn)如此多的奇異非凡的電磁現(xiàn)象，如反Cerenkov福射和反Doppler頻移，因此對(duì)于負(fù)折射率介質(zhì)，甚至最基本的電磁和光學(xué)現(xiàn)象也必須認(rèn)真地重新驗(yàn)證。例如，在分析n=-l的平板的成像性質(zhì)時(shí),預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)超過(guò)任何正折射率光學(xué)元器件的解析度。制造出由兩個(gè)散布的導(dǎo)體元件點(diǎn)陣組成的人造介質(zhì)，并且報(bào)告其具有負(fù)的折射率。該材料組成的光楔樣品，如圖I所示，已證實(shí)為以與負(fù)折射率材料一致的方式折射微波。該介質(zhì)由在兩個(gè)維度上布置的傳導(dǎo)裂環(huán)諧振器(SRR)和導(dǎo)線(xiàn)帶(wire strip)組成,傳導(dǎo)裂環(huán)諧振器在 11. OGHz到11. 5GHz的頻帶上提供等效負(fù)導(dǎo)磁率，導(dǎo)線(xiàn)帶在更大并重疊的頻率范圍上提供負(fù)導(dǎo)磁率的頻帶。SRR和線(xiàn)帶都由電介質(zhì)基板支撐。在所用樣本中，5mm的晶胞尺寸大約小于自由空間波長(zhǎng)的六分之一，使得材料可期待被有效的介質(zhì)理論適當(dāng)表征。但是，有限的晶胞尺寸導(dǎo)致不可避免的表面臺(tái)階為實(shí)現(xiàn)18. 4度的折射表面,如圖1(a)所示,特異介質(zhì)表面臺(tái)階被切成每一個(gè)晶胞三個(gè)晶胞的臺(tái)階。所得表面C的臺(tái)階為X/2的量級(jí)。圖1(a)是用于證實(shí)負(fù)折射率的特異材料光楔的示意圖。如圖中白線(xiàn)所示，該結(jié)構(gòu)在兩個(gè)維度上布圖。圖1(b)是示出本發(fā)明的特異材料光楔的一個(gè)晶胞的示意圖。該示范性光楔由尺寸為2. 5_的晶胞制成，只沿所示的一個(gè)維度(S卩，列)成型。圖1(c)是圖1(a)所用的 SRR 的不意圖，尺寸為 s=2. 63mm; c=0. 25mm;b=0. 3mm, g=0. 46mm ；w=0. 25mm ;圖 I (d)是圖1(b)的特異材料中所用的本發(fā)明的一個(gè)單元SRR的示意,其尺寸為s=2. 2mm, c=0. 2mm,b=0. 15mm, g=0. 3mm, w=0. 14mm。所用的電介質(zhì)基板是0. 25mm厚的FR4電路板(e =3. 8),銅厚度為大約0. 014mm。特異材料樣本上的表面臺(tái)階構(gòu)成光柵，該光柵將產(chǎn)生包括零級(jí)衍射光束在內(nèi)的衍射光束。產(chǎn)生零級(jí)和更高級(jí)光束的條件可根據(jù)以下公知的光柵公式確定sjn + ifsin (I )
d其中0m是從介質(zhì)側(cè)相對(duì)于界面法線(xiàn)的入射角，0是折射角。式I把折射(第二項(xiàng))和衍射(第一項(xiàng))都考慮到了。
引出式I的基本觀(guān)點(diǎn)不能確定入射束到各種可能的出射束的相對(duì)耦合。在正負(fù)折射率材料之間，光柵衍射的平面波的理論分析預(yù)測(cè)出衍射級(jí)的增強(qiáng)耦合。該增強(qiáng)耦合可由以下論點(diǎn)理解。入射在周期性構(gòu)圖的表面上的波可耦合到任何透射和反射波，其沿界面的波矢量匹配入射波的波矢量(kx)到對(duì)等的點(diǎn)陣向量?jī)?nèi)(即kx+mll/d，其中m是整數(shù))。這組模式包括兩個(gè)傳播分量一零級(jí)折射波和更高的衍射級(jí)一以及(kx+m n /d) > /c的漸逝分量。在正負(fù)折射率介質(zhì)之間的表面上產(chǎn)生的漸逝波的反射和透射系數(shù)比在兩個(gè)同樣折射率符號(hào)的介質(zhì)之間產(chǎn)生的具有大得多的幅度。在某種意義上，光柵調(diào)制引起入射光束與所有衍射光束之間的耦合，其由消散分量作為媒介。由于這些分量在正負(fù)介質(zhì)間可具有非常大的幅度，入射光束與更高級(jí)之間的耦合也相應(yīng)地大得多。為檢測(cè)負(fù)折射率樣本中的衍射光束性質(zhì)，我們仿真一束波入射在負(fù)折射率光楔和自由空間之間的界面上，如圖3所示。用基于有限元的電磁模式解算器中的被動(dòng)解法(driven solution)進(jìn)行這種仿真。除了該光楔被當(dāng)作具有負(fù)e和U的均質(zhì)材料而非SRR和導(dǎo)線(xiàn)陣列外，仿真的幾何結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)中所用的類(lèi)似。通過(guò)驅(qū)動(dòng)6cm寬、I cm高、與吸收劑排成行的通道的一端，建立有限寬度的入射光束。該吸收劑將波導(dǎo)向樣本光楔的平表面。對(duì) 于光楔樣本具有光滑折射界面的情況，不論折射率是正還是負(fù)，在由Snell定律決定的角度上總是觀(guān)察到一個(gè)折射光束(即，非衍射光束)。加到正折射率光楔的表面臺(tái)階產(chǎn)生與光滑光楔一樣的單個(gè)折射束；而加到圖2所示負(fù)折射率光楔的表面臺(tái)階導(dǎo)致出現(xiàn)第二光束。圖2是示出在負(fù)折射率光楔的臺(tái)階界面上的折射和衍射光束的場(chǎng)圖。對(duì)于該仿真中的光楔，￡=-5.09，11=-1.41，使得11=-2.68。仿真的頻率是11.5GHz。沿光楔折射面的臺(tái)階的尺寸是15mm乘5mm。與實(shí)驗(yàn)類(lèi)似，受電邊界條件(平行于頁(yè)面)約束，仿真Icm高(在垂直于頁(yè)面方向上)和6cm寬的導(dǎo)向區(qū)域。與式I 一致,折射和衍射的光束分別以-58°和+30°射出板。用在式I中時(shí)，圖2所示仿真中的幾何參數(shù)顯示相對(duì)表面法線(xiàn)-58°的零級(jí)折射光束，以及角度取決于視在(apparent)光柵長(zhǎng)度的第一級(jí)衍射光束。式I表明，光楔的折射率保持常數(shù)的情況下，入射光束波長(zhǎng)的變化使第一級(jí)光束的偏轉(zhuǎn)角漂移，但零級(jí)光束不會(huì)變化。這可在圖3所示角度冪光譜(angular power spectra)中看出。圖3示出以40mm的半徑遠(yuǎn)離圖I的臺(tái)階負(fù)折射率光楔表面的仿真角度冪光譜。每條曲線(xiàn)相應(yīng)于不同的入射波長(zhǎng)(頻率)。所有角度都是相對(duì)于折射表面法線(xiàn)。圖3中不同的曲線(xiàn)相應(yīng)于不同的入射激勵(lì)頻率值，在其它所有參數(shù)保持不變的情況下，該頻率從9. OGHz變化到11. 75GHz。作為頻率(或波長(zhǎng))的函數(shù)，第一級(jí)峰的峰角可用于經(jīng)驗(yàn)地確定d值，其倒數(shù)作為系數(shù)代入式I中波長(zhǎng)。盡管表面臺(tái)階物理尺寸為15X5mm，建議為cTl6mm，對(duì)圖3數(shù)據(jù)的擬合表明視在光柵臺(tái)階尺寸為d=19mm。該導(dǎo)出的d值在從11. 75GHz到大約IOGHz的頻率上與所觀(guān)測(cè)的仿真數(shù)據(jù)良好擬合。在8. 5GHz以下，式I的右側(cè)超過(guò)單位1，衍射光束不再可能。于是可以預(yù)測(cè)衍射光束的耦合強(qiáng)度在該頻率附近將接近零，這與仿真結(jié)果一致。圖3的數(shù)值分析指示出入射波到零級(jí)和第一級(jí)光束的相對(duì)耦合。衍射峰比折射峰的相對(duì)大小隨著波長(zhǎng)變小而增加，直到衍射峰可主導(dǎo)散射光譜。在頻率保持常數(shù)而表面臺(tái)階尺寸變化的情況下，類(lèi)似的數(shù)值研究表明與圖3相似的結(jié)果。
盡管這里所述的仿真基于連續(xù)、均質(zhì)的材料，人造的負(fù)折射率特異材料也可近似為連續(xù)材料。于是可以相信并期望在這種特異材料中的表面臺(tái)階會(huì)導(dǎo)致與均質(zhì)、臺(tái)階光楔樣本上的上述仿真中發(fā)現(xiàn)相同的衍射現(xiàn)象。上述仿真表明對(duì)于圖1(a)所用的樣本，折射率為負(fù)時(shí)，頻率狀態(tài)中應(yīng)觀(guān)察到第二光束。在最初的實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有報(bào)道第二光束，但在類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到了。由于樣本的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，各板分開(kāi)大致2mm，大于IOmm (0. 4英寸)的標(biāo)準(zhǔn)X波段間距，造成該實(shí)驗(yàn)中一個(gè)變化源。為了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究和明確更高級(jí)次光束的情況，我們進(jìn)行作為頻率的函數(shù)的由兩個(gè)不同的特異材料光楔樣本中的每一個(gè)傳輸?shù)膱?chǎng)的角度分散映射。其中一個(gè)樣本是圖1(a)所用的，尺寸如圖1(c)所示。另一個(gè)光楔樣本采用圖1(d)所示新的晶胞設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)所用裝置基于已知的板形波導(dǎo)。通過(guò)將來(lái)自X波段同軸電纜-波導(dǎo)適配器(HP X281A)的微波耦合到板形波導(dǎo)的通道中，產(chǎn)生具有最小橫向相變的入射束。對(duì)吸收器 (Microsorb Tecnologies Inc. MTL-73)構(gòu)圖，使得沿光路從0. 9〃的適配器寬度逐漸擴(kuò)寬，形成大約15cm (6")的出口光闌。該通道連接到平板半圓中心室，特異材料樣本位于該室的中心。該通道的長(zhǎng)度(同軸電纜適配器一出口光闌)為40cm。波導(dǎo)檢測(cè)器位于半圓板的半徑上,距離樣本40cm，并能掃過(guò)接近180度的角度范圍。作為控制，測(cè)量從與圖1(a)的樣本尺寸和表面臺(tái)階大小相同的Teflon樣本折射的角度冪分布。圖3所示的結(jié)果表明該光束如預(yù)期地折射到正角度。沒(méi)有檢測(cè)到其它衍射束，盡管在所示頻率范圍上，式I預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)第一級(jí)次模式(例如，11. 5GHz下，-63° )。與正折射率介質(zhì)相反，負(fù)折射率介質(zhì)本身具有頻率發(fā)散性。對(duì)于圖1(a)所用樣本，負(fù)折射的期望頻率區(qū)域是從10. 5GHz到11. 1GHz，但是由于上下板相對(duì)樣本的定位，該限制某種程度上是模糊的。在本研究中，腔室板固定在I. 27cm (0.5〃)的距離。圖4是對(duì)于15mmX 5mm臺(tái)階的Teflon光楔(上圖)、圖1(a)的光楔(中圖)、以及本發(fā)明的2. 5mm的臺(tái)階表面光楔特異材料(下圖)，作為頻率(垂直軸)和偏離直接入射的角度(水平軸)的函數(shù)的傳輸功率的圖。如從圖4 (中圖)可見(jiàn)，在與預(yù)期的負(fù)折射率頻帶一致的頻率上，入射光束的確彎向負(fù)角度。另外，如式I所示，在相應(yīng)于第一級(jí)衍射束的正角度上還有第二光束。衍射束的位置和發(fā)散與式I 一致，假定從圖3的仿真分析導(dǎo)出d值?？紤]到假設(shè)連續(xù)介質(zhì)的理論的簡(jiǎn)單性，這種一致非常好。這些結(jié)果表明，不僅整塊特異材料表現(xiàn)如同具有負(fù)折射率的連續(xù)的材料，而且表面臺(tái)階也提供該性質(zhì)，并可如其它連續(xù)材料中的臺(tái)階一樣建模。已由式I和仿真發(fā)現(xiàn)并證實(shí)，通過(guò)適量減小晶胞大小，有效減小折射表面光柵長(zhǎng)度，可消除衍射束。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括一種新的特異材料樣本，其臺(tái)階表面的單元臺(tái)階大小為2. 5mm—一在傳播平面中圖1(a)晶胞所用的一半大小?！芭_(tái)階大小”指的是每個(gè)晶胞沿3晶胞臺(tái)階長(zhǎng)度方向上的長(zhǎng)度，以及將每個(gè)臺(tái)階彼此分離的垂直距離。在圖1(b)中示意性示出光楔樣本的示意圖，同時(shí)特異材料晶胞的詳細(xì)尺寸在圖1(d)中示出并在上面詳細(xì)討論。折射表面角度又是18. 4°，并且每一個(gè)晶胞臺(tái)階有3個(gè)晶胞。在圖4(c)中示出2. 5_樣本的作為頻率和角度函數(shù)的傳輸功率的圖。如從在新晶胞上仿真所得，所預(yù)測(cè)的左手波段在從11. 3GHz到12. 2GHz出現(xiàn)。如預(yù)期，所測(cè)頻譜在該頻段上表現(xiàn)出負(fù)折射率，最重要的是沒(méi)有出現(xiàn)衍射波段。
這里所示的仿真與圖4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一起，用于示出負(fù)折射率介質(zhì)上折射實(shí)驗(yàn)中表面不均勻性的作用。盡管特異材料樣本代表了略為復(fù)雜的系統(tǒng)，我們的結(jié)果和分析表明式I正確地考慮到零級(jí)和更高級(jí)光束的存在。另外，該結(jié)果證實(shí)負(fù)折射率樣本提高衍射級(jí)次耦合。這種增加的耦合是正負(fù)折射率介質(zhì)性質(zhì)之間一個(gè)重要的區(qū)別，并表明表面周期性在后者中起到更重要的作用。B負(fù)折射率透鏡像差本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及負(fù)折射率透鏡。近年來(lái)，負(fù)折射率人造材料(NIM)很引人注目。一方面是理想透鏡概念。理想透鏡是折射率減一的平板(flat slab)，可以用超出正折射率光學(xué)元件可能的分辨率的分辨率聚焦圖像。可在負(fù)折射率介質(zhì)上由曲面聚焦。由負(fù)折射率介質(zhì)組成的傳統(tǒng)球面輪廓透鏡比起對(duì)應(yīng)的正折射率透鏡有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)更緊湊，可完美地匹配到自由空間。進(jìn)一步地，發(fā)現(xiàn)它們還可具有出眾的聚焦性能。本發(fā)明的示范性特異材料透鏡構(gòu)造為復(fù)合結(jié)構(gòu)，使其電磁性質(zhì)在整個(gè)復(fù)合物內(nèi)空 間改變。重要的是，介電系數(shù)和導(dǎo)磁率都可在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)內(nèi)獨(dú)立地變化，產(chǎn)生先前未實(shí)現(xiàn)的光學(xué)器件。一個(gè)示范實(shí)施例是人工構(gòu)造的復(fù)合特異材料，由支撐多個(gè)傳導(dǎo)元件的電介質(zhì)基板或主體材料組成，每個(gè)傳導(dǎo)元件設(shè)計(jì)為根據(jù)電磁場(chǎng)表現(xiàn)所需電和磁極化，該復(fù)合物沿一個(gè)或多個(gè)軸在介電系數(shù)和/或?qū)Т怕噬媳憩F(xiàn)所需空間變化，使得至少一個(gè)元件的電或磁極化與其它元件不同。這里所用的術(shù)語(yǔ)“空間變化”應(yīng)廣義地理解為指隨空間位置的變化。例如，具有空間變化的導(dǎo)磁率的特異材料可具有隨沿特異材料中X、Y、Z軸的一個(gè)或更多軸上的位置變化的導(dǎo)磁率。重要的是，導(dǎo)磁率的空間變化與所述介電系數(shù)無(wú)關(guān)——在本發(fā)明的特異材料中，導(dǎo)磁率和介電系數(shù)可彼此獨(dú)立地“調(diào)整”。這種特異材料可具有許多有用和有利的應(yīng)用。例如，在本發(fā)明的一些示范特異材料中，導(dǎo)磁率與介電系數(shù)的比值被保持為大致常數(shù)，并大致等于相鄰或圍繞該特異材料的材料(其例包括自由空間或該復(fù)合特異材料所嵌入的第二材料)的相同比值，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。另外，可控制特異材料導(dǎo)磁率和介電系數(shù)的符號(hào)，在某些示范特異材料中，兩者都是負(fù)的以提供負(fù)折射率材料?？紤]到以下示范實(shí)施例的詳細(xì)討論，這些和其它優(yōu)勢(shì)可對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯見(jiàn)。透鏡的單色成像質(zhì)量可表現(xiàn)為五個(gè)Seidel像差球差、慧差、像散、場(chǎng)曲和畸變。簡(jiǎn)單的Gaussian光學(xué)公式的這些公知校正通過(guò)波前偏離球面的第四級(jí)展開(kāi)計(jì)算。(球面波前在射線(xiàn)光學(xué)元件中會(huì)聚到一個(gè)理想的焦點(diǎn))。該展開(kāi)式中的系數(shù)量化光學(xué)元件對(duì)于給定物和像位置的非理想聚焦性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)幾個(gè)Seidel像差關(guān)于零折射率的不對(duì)稱(chēng)?？紤]到相對(duì)折射率+1的界面是惰性的(inert)，而相對(duì)折射率-I的界面是強(qiáng)折射的，這種不對(duì)稱(chēng)并不令人驚訝。但是，這種不對(duì)稱(chēng)對(duì)負(fù)折射率透鏡會(huì)產(chǎn)生超聚焦性質(zhì)則是令人驚訝、出人意料的結(jié)果。負(fù)折射率介質(zhì)必然頻率發(fā)散，這意味著色差增加，帶寬減小。但是，具有類(lèi)似限制的衍射光學(xué)元件在窄帶應(yīng)用中有用。為證實(shí)分析的像差結(jié)果，研發(fā)出不依賴(lài)于折射率的符號(hào)的定制的射線(xiàn)追蹤碼，其只依賴(lài)于介電系數(shù)e、導(dǎo)磁率U、Maxwell方程和能量守恒，以確定射線(xiàn)的路徑。在均勻介質(zhì)中，在界面之間，射線(xiàn)跟隨Poynting矢量的方向在直線(xiàn)上傳播。從標(biāo)號(hào)I區(qū)域到到標(biāo)號(hào)2區(qū)域的界面上的折射如下。在區(qū)域2中找出滿(mǎn)足發(fā)散關(guān)系的波解(wave solution)(由 Maxwell 方程獲得)。
其中k2是區(qū)域2中的波矢量。該解還必須滿(mǎn)足匹配入射波的邊界條件，要求HX(Vk1)=O (2)其中n是界面的單位法線(xiàn)。如果入射波帶入能量，出射、折射波則必然從表面帶走
能量(P2 n) (P1 n)>0 (3)其中P=IV2Re(EXlT)是時(shí)間平均Poynting矢量。最后，由于假設(shè)該介質(zhì)是無(wú)源的、無(wú)損的，該波不能指數(shù)增長(zhǎng)或衰減，lm(k2)=0。如果存在滿(mǎn)足以上所有條件的解，該射線(xiàn) 以新找到的波矢量和Poynting矢量繼續(xù)。另外，由于我們只考慮各向同性介質(zhì)，該解是唯一的。在光學(xué)元件文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)于薄球透鏡的Seidel像差，負(fù)折射率介質(zhì)的表達(dá)式的形式不變。這一結(jié)論通過(guò)只用光程長(zhǎng)定義和Fermat原理從第一原理重新推導(dǎo)這些表達(dá)式得以證實(shí)。我們認(rèn)為如果C平行于Poynting矢量，光程長(zhǎng)OPL= / cn (s) ds為波會(huì)沿路徑C傳播的相位變化(以自由空間波長(zhǎng)為單位)。光程可具有負(fù)屬性使得Poynting矢量和波矢量是反平行的，即，折射率為負(fù)。這些像差公式進(jìn)一步確認(rèn)了我們的射線(xiàn)追蹤結(jié)果。波像差A(yù) OPL是一般射束與參考射束的光程長(zhǎng)的差，其中參考射束在孔徑光闌處通過(guò)光軸，而一般射束由其在孔徑光闌上的坐標(biāo)r和其在像平面上的坐標(biāo)h確定參數(shù)，如圖5所示。圖5示出用于像差計(jì)算的結(jié)構(gòu)。標(biāo)記為AS的孔徑光闌在該薄透鏡(盡管透鏡表示成厚的)的位置。Gaussian像平面標(biāo)記為IP。孔徑光闌坐標(biāo)矢量r和像平面坐標(biāo)矢量h不一定平行，如圖所示。為符合Gaussian光學(xué)限制，即球形界面產(chǎn)生最佳成像，r和h必須接近O。在該參數(shù)下波像差的一系列展開(kāi)如下
權(quán)利要求
1.一種形成具有空間電磁響應(yīng)梯度的復(fù)合特異材料的方法，包括以下步驟 形成多個(gè)重復(fù)晶胞，每個(gè)所述晶胞包括支撐多個(gè)導(dǎo)體的電介質(zhì)，所述多個(gè)重復(fù)的晶胞中每一個(gè)晶胞具有導(dǎo)體尺寸及電介質(zhì)尺寸； 通過(guò)改變所述導(dǎo)體尺寸和所述電介質(zhì)尺寸中的一個(gè)或多個(gè)，使所述重復(fù)晶胞中一部分晶胞具有與其它晶胞不同的有效導(dǎo)磁率；以及 布置所述一部分所述多個(gè)晶胞以形成具有沿至少一個(gè)方向的有效導(dǎo)磁率梯度折射率的特異材料。
2.一種復(fù)合特異材料，包括 具有兩個(gè)平的相對(duì)表面的至少一個(gè)電介質(zhì)基板層； 多個(gè)第一導(dǎo)體，所述多個(gè)第一導(dǎo)體在所述兩個(gè)平的相對(duì)表面的法線(xiàn)上形成在所述至少一個(gè)電介質(zhì)基板層中的多個(gè)通道中；并且 空間布置所述多個(gè)第一導(dǎo)體與所述至少一個(gè)電介質(zhì)基板層，以限定特異材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合特異材料，其中，所述至少一個(gè)電介質(zhì)基板層包括由玻璃、硅、石英和聚合物中的一種或幾種制成的印刷電路板，其中，所述通道包括向所述兩個(gè)平的相對(duì)表面中的至少一個(gè)表面開(kāi)口并由所述導(dǎo)體填充的過(guò)孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合特異材料，其中，所述至少一個(gè)電介質(zhì)基板層包括層疊布置的多個(gè)電介質(zhì)基板層，并進(jìn)一步包括多個(gè)第二導(dǎo)體，所述第二導(dǎo)體在所述多個(gè)第一導(dǎo)體的法線(xiàn)上形成在所述多個(gè)電介質(zhì)聚合物層中至少一個(gè)電介質(zhì)聚合物層的所述兩個(gè)相對(duì)表面中的至少一個(gè)表面上。
5.一種復(fù)合特異材料，包括 多個(gè)晶胞，每個(gè)晶胞包括 層疊布置的多個(gè)電介質(zhì)聚合物層； 延伸通過(guò)所述多個(gè)層疊的電介質(zhì)聚合物層的第一裂環(huán)導(dǎo)體； 支撐在所述多個(gè)電介質(zhì)聚合物層中的一個(gè)電介質(zhì)聚合物層上的至少一個(gè)大致直的導(dǎo)體元件；以及， 其中，所述多個(gè)晶胞構(gòu)造為限定出特異材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)合特異材料，其中，所述多個(gè)晶胞在一頻帶上具有負(fù)的導(dǎo)磁率和介電系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)合特異材料，其中，所述多個(gè)電介質(zhì)聚合物層包括至少三個(gè)電介質(zhì)聚合物層，其中，所述至少一個(gè)大致直導(dǎo)體包括多個(gè)直導(dǎo)體，所述多個(gè)直導(dǎo)體布置在所述三個(gè)電介質(zhì)聚合物層的中間電介質(zhì)層的相對(duì)表面上，并在晶胞彼此相鄰時(shí)互相電連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)合特異材料，其中，所述多個(gè)電介質(zhì)聚合物層包括層疊在一起的多個(gè)電介質(zhì)電路板層，其中，所述裂環(huán)諧振器通過(guò)如下方式限定 沿所述多個(gè)層疊的電介質(zhì)層最上一層的頂表面的第一導(dǎo)體條； 沿所述多個(gè)層疊的電介質(zhì)層最下一層的底表面的第二導(dǎo)體條； 從所述第一導(dǎo)體條延伸通過(guò)盲孔并在所述中間電介質(zhì)層處終止于第一板處的至少一個(gè)第一導(dǎo)體腳； 從所述第二導(dǎo)體條延伸通過(guò)盲孔并在所述中間電介質(zhì)層終止于與所述第一板相對(duì)的第二板處的至少一個(gè)第二導(dǎo)體腳； 限定于所述第一和第二板之間的間隙，所述第一和第二板與所述間隙限定出一電容；以及， 至少一個(gè)第三導(dǎo)體腳，所述第三導(dǎo)體腳延伸通過(guò)連接到所述第一或第二導(dǎo)體條中的至少一個(gè)的過(guò)孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的復(fù)合特異材料，其中，所述第三導(dǎo)體腳延伸通過(guò)所述過(guò)孔，以將所述第一和第二導(dǎo)體條彼此連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的復(fù)合特異材料，其中，所述至少一個(gè)第三導(dǎo)體腳從所述第一導(dǎo)體條延伸通過(guò)一盲孔并在所述中間電介質(zhì)層終止于所述第三導(dǎo)體板，并進(jìn)一步包括 從所述第二導(dǎo)體條延伸通過(guò)盲孔并在所述中間電介質(zhì)層終止于與所述第三導(dǎo)體板相對(duì)的第四板處的第四導(dǎo)體腳；以及 限定于所述第三和第四板之間的間隙，所述第一和第二板與所述間隙限定出一電容。
11.一種模塊特異材料，包括 至少一個(gè)大致平的基礎(chǔ)電介質(zhì)基板，其具有至少一個(gè)第一連接器； 至少一個(gè)第二大致平的電介質(zhì)基板，其具有至少一個(gè)第二連接器，用于與所述至少一個(gè)第一連接器協(xié)作從而以大約90°角連接所述至少一個(gè)第二大致平的電介質(zhì)基板與所述至少一個(gè)大致平的基礎(chǔ)電介質(zhì)基板；以及 所述至少一個(gè)大致平的基礎(chǔ)電介質(zhì)基板和所述至少一個(gè)第二大致平的電介質(zhì)基板中的每一個(gè)都具有陣列布置的多個(gè)第一導(dǎo)體，其中，所述至少一個(gè)大致平的基礎(chǔ)電介質(zhì)基板和所述至少一個(gè)第二大致平的電介質(zhì)基板連接到一起時(shí)形成三維特異材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的模塊特異材料，其中，所述至少一個(gè)第二大致平的電介質(zhì)基板包括多個(gè)大致平的電介質(zhì)基板，其中每個(gè)具有至少一個(gè)第三連接器，用于與其它所述多個(gè)第二大致平的電介質(zhì)基板上的至少一個(gè)第三連接器協(xié)作，從而以大約90°的角度將所述多個(gè)第二大致平的電介質(zhì)基板彼此連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的模塊特異材料，其中，每個(gè)所述第一導(dǎo)體包括環(huán)諧振器并圍繞通過(guò)各自所述第一或第二大致平的電介質(zhì)基板的通道，其中，所述第一和第二大致平的電介質(zhì)基板上的所述第二導(dǎo)體彼此電連通，并且所述第一和第二大致平的電介質(zhì)基板包括電路板。
14.一種對(duì)于具有任意入射偏振的波具有負(fù)折射率的特異材料，包括 電介質(zhì)； 由所述電介質(zhì)基板支撐的第一導(dǎo)體的陣列； 由所述電介質(zhì)基板支撐的第二導(dǎo)體的陣列，其與所述第一導(dǎo)體陣列散布，每個(gè)所述第二導(dǎo)體相對(duì)每個(gè)所述第一導(dǎo)體以大約90°的角度取向； 第三大致直的導(dǎo)體陣列，其以網(wǎng)格圖案布置并由所述電介質(zhì)基板支撐，所述第三導(dǎo)體與所述第一和第二導(dǎo)體散布并隔開(kāi)；以及， 其中，所述第一、第二和第三導(dǎo)體與所述電介質(zhì)基板限定出在某頻帶上對(duì)于具有任意偏振的入射波長(zhǎng)具有負(fù)導(dǎo)磁率和負(fù)介電系數(shù)的特異材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種示范性的特異材料，由多個(gè)單獨(dú)晶胞形成，其至少一部分相比另一部分具有不同的導(dǎo)磁率。所述多個(gè)晶胞的布置提供具有沿至少一個(gè)軸的梯度折射率的特異材料。該材料可用于形成例如透鏡。
文檔編號(hào)H01Q15/08GK102798901SQ20121013778
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2005年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月23日
發(fā)明者戴維.R.史密斯, 戴維.舒里格, 安東尼.F.斯塔爾, 杰克.J.莫克 申請(qǐng)人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)