[发明专利]一种超材料极化转换器

说明书

技术领域

本发明涉及用于电磁波极化转换的装置，具体地涉及一种超材料极化转换器。

背景技术

电磁波的极化状态在液晶显示、射频天线及各种辐射器件、卫星天线与光学器件等方面有广泛的应用。传统的极化转换器件通常限制一种极化波透射，将不需要的极化波反射；或者将波分为两束具有不同极化状态的波束，因此一种极化波只能携带不到一半的能量，具有较大的能量损耗，并且工艺要求和成本高。此外，利用截面渐变的波导可以实现圆极化波与线极化波之间的转换。此种方能量损耗较小，但要得到极化隔离度好的出射波对加工精度要求相当高，实现难度较大。

在各种天线及微波与光学的仪器设备中，经常需要实现不同极化状态之间的转换，以获得某种单极化波或双极化波。极化转换主要关注以下几个方面的指标：

1)高性能。转换后的极化波应具有较高的极化隔离度，接近所需要的极化状态。

2)低损耗。具有较高的能量转换效率，以实现节能降耗的目标。

3)尺寸小。不占用过多空间。

此外，极化转换方法应易于实现，设计不应太复杂，器件成本不应过高。

超材料由介质基材和设置上基材上的多个人造微结构(通常采用金属微结构)组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人造微结构大小一般在1/10至1/5个波长之间，其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率。人造微结构的等效介电常数和等效磁导率由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，人造微结构可以具有人为设计的各向异性的电磁参数，从而产生许多新奇的现象，为实现极化转换提供了可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种低成本、高效率、功能多样、便于控制和设计的基于人造微结构的超材料极化转换器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料极化转换器，所述超材料极化转换器包括基材以及设置在基材上的电磁特性呈各向异性的多个人造微结构，所述多个人造微结构均匀分布在垂直于电磁波的入射方向的一个或多个平面上，所述超材料极化转换器内部的折射率呈均匀分布，所述入射电磁波的电场矢量在所述一个或多个平面上内分解成两个不为零的正交分量，其中一个分量在人造微结构的光轴所在直线方向上，在电磁波穿过超材料极化转换器后，所述两个正交分量具有了一与入射前不同的相位差Δθ。

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，所述片状基板垂直于电磁波的入射方向，所有的人造微结构在所述片状基板上周期排布。

进一步地，若Δθ＝Kπ，则可以实现任意夹角的两个线极化电磁波的相互转换，其中K为整数。

进一步地，若要实现水平极化与垂直极化电磁波之间的相互转换，则使人造微结构的光轴方向与入射电磁波的电场矢量的方向呈45度夹角。

进一步地，若要实现线极化和圆极化电磁波之间的相互转换，则Δθ＝(2K+1)(π/2)，且人造微结构的光轴方向与入射电磁波的电场矢量的方向呈45度夹角。

进一步地，若要实现线极化和椭圆极化电磁波的相互转换，则Δθ不等于Kπ并且不等于(2K+1)(π/2)，且人造微结构的光轴方向与入射电磁波的电场矢量的方向的夹角不等于45度。

进一步地，所述人造微结构为金属微结构，所述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，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线。

进一步地，所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。

进一步地，所述入射电磁波的电场矢量的两个正交分量分解在第一主线与第二主线所在的直线上。

进一步地，所述入射电磁波的电场矢量方向与第一主线呈45度夹角。

根据本发明的超材料极化转换器，利用超材料极化转换器中的人造微结构的影响在其中传播的电磁波的电场矢量，使得电磁波离开超材料极化转换器时，极化特性发生改变。上述的超材料极化转换器，结构简单，制造成本低，转换效率高，并且功能多样，便于控制和设计。

附图说明