[发明专利]一种通过人工特异介质平面实现近场亚波长聚焦的方法

说明书

技术领域

本发明属于超分辨技术及无线能量传输领域,尤其涉及一种通过人工特异介质平面实现近场亚波长聚焦的方法。

背景技术

从普通到日常生活中，人们鼻梁上架着的帮助人们将入射入人眼的光场进行适当调整到成像在视网膜上的眼镜，到随着技术发展，进入了分子尺度的生物科学研究等等，都离不开对光场的一种调控——成像。而对于传统光学透镜成像系统来说，其成像分辨率存在极限——衍射极限（成像光束波长的1/2左右）。这也就使得他们越来越不能满足现代社会科学技术发展的需求，尤其是日益迅速发展的微纳尺度科学研究活动。这也就提出了对突破衍射极限的超分辨成像技术提出了迫切的需求。得益于近十年来人工特异介质材料——人工制备自然界中不可能存在性质的材料——研究的发展，提供了许多可能超分辨技术方法。

同时，随着现代生活节奏的加快，新技术的越来越多使用，人们在日常生活工作所需使用的生产工具、娱乐的数码产品越来越多，如个人电脑、笔记本电脑、智能手机、平板电脑，数码相机等等，都需要一根电源线连接，而繁多的电源线对于其便携性使用、办公等活动带来了很大的不便和生产效率的降低。现阶段，虽然无线传输能够解决该问题，如常见的电磁感应线圈，但是我们都知道利用线圈间的电磁感应来实现的无线能量传输的能量传输效率却不高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种通过人工特异介质平面实现近场亚波长聚焦的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

步骤(1)根据已知的所需得到的电磁波场分布，反向设计出特定的透射电磁波场分布。

设电磁场分量E和H具有时谐性exp(-                                               ) (为角频率，i为虚数) ，并满足亥姆霍兹方程，沿z 方向传播的电场E经过二维傅里叶变换，在 位置处电场分量为，在直角坐标系下展开的空间角谱为：

 (1)

式(1)中，、为空间角谱沿x、y方向分量。

并且位置空间角谱与传播方向位置处空间角谱存在如下关系：

                               （2）

式中，为z 方向传播常数，其值为：

为真空传播常数。

根据傅里叶逆变换，得到位置处的电场分量如下：

   （4）

通过公式（1）～（4），得到人工特异介质平面上需实现的透射电磁波场分布。

步骤(2)根据入射在人工特异介质平面上的场分布和需实现的透射电磁波场分布，采用电极薄阻抗面结构作为人工特异介质平面基本单元，将入射在人工特异介质平面上的场分布调制成需实现的透射电磁波场分布，然后，根据人工特异介质平面上的边界条件，求解在人工特异介质平面上所需的任何位置处的阻抗值。

根据麦克斯韦方程组得到给定入射源入射在人工特异介质平面上的场分布，利用电极薄阻抗面结构实现调制：将给定入射在人工特异介质平面上的场分布调制成步骤1中反向得到的透射电磁波场分布。

对于电极薄阻抗面（厚度远小于波长，垂直于面的法向电流可忽略），其在垂直入射情况下，电场透射系数如下：

                                                                         (5)

其中， 为周围介质的特征阻抗（真空中为）， 为阻抗面的阻抗值，当时候，公式(5)改写为：

                                                                     (6)

根据公式(6)，只要能在该位置实现所需的阻抗值，则能够对入射场的任何位置进行调制，并调制成所需的幅值和相位。

步骤（3）根据求解得到的人工特异介质平面上的阻抗值分布，设计相应具体实现结构。

所述的电场E置换成磁场H，同样适用于该方法，且效果相同。

本发明有益效果如下：

本发明通过设计特定人工特异介质平面，将特定的入射电磁场调制，并在给定的位置实现所需得到的电磁场分布。

本发明成功实现了将电流环产生电场在微波段频率在近场突破衍射极限的聚焦效果，在超分辨成像技术等领域有着重要应用。