[发明专利]极化方向旋转的纽结超材料及其使用方法

说明书

本发明公开了一种采用形状为三维非平凡纽结曲线的电导体作为人造微结构的超材料和使用方法，涉及电磁超材料领域。本公开的超材料包括一个或多个，形状为三维非平面或非平凡纽结曲线的电导体。所述电导体周围为真空或非导电介质。由于其特殊的形状，改变了其表面感应电流分布，从而具有独特的电磁特性。当用于圆波导中时，该超材料能够使圆波导中的TE11模式的电场产生90度的偏转。当用于平面波入射时，该超材料能使线极化的平面波产生90度的极化方向旋转。并且，其模式旋转与极化旋转的功能与原来入射波的电场方向无关。

技术领域

本公开涉及一种电磁超材料，特别是一种能够使极化方向发生偏转的三维非平面纽结曲线结构的超材料。

背景技术

超材料(metamaterial)是21世界物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。它有三个重要特征包括：

(1)超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)超材料具有超常的物理性质(这种性质往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)超材料的性质往往不决定于构成材料的本征性质，而主要决定于其中的人工结构。

应用于电磁领域的超材料叫做电磁超材料(electromagnetic metamaterial)。它以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布，而且具有特殊的电磁效应。其电磁效应的特征是由其人造微结构的特征所决定的。现有的超材料通常包括基材及附着在基材上的人造微结构。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表现自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

随着拓扑绝缘体等新型材料的发现，将拓扑学应用到材料设计也成为未来科技发展的一个趋势。纽结理论属于代数拓扑的一个分支，研究对象是三维空间中的不与自己相交的封闭曲线。所谓非平凡纽结是指至少有一个打结的纽结。

电磁波在传播过程中遇到障碍物会产生反射与透射。通过超材料的应用，可以对反射和透射电磁波的极化状态进行调整。对线极化波，可以使线极化电磁波的极化方向偏转。文献中已经报道了一些能够使线极化方向偏转的超材料，但现有技术往往只能对一定的极化方向实现偏转。如何对任意角度入射的线极化平面波或者圆波导TE11模实现极化偏转是现有技术难以解决的难题。

公开内容

三维非平凡纽结曲线在结构上由于其独特的形状，在电磁波入射时，具有独特的表面感应电流分布，从而带来模式方向或极化方向偏转的效果。本公开实施例提供了一种超材料及其使用方法。所述技术方案如下：

一种超材料A，包括一个或多个形状为三维非平凡纽结曲线的电导体，所述三维非平凡纽结曲线为在三维空间中，有一个以上打结，而不与自己相交的闭合曲线，在电导体周围为真空或非导电介质。

其有益效果是：利用三维非平面纽结曲线的独特形状，实现独特的电磁波特性。

在一些实施例中，其中纽结曲线为光滑曲线或多段首尾相连的光滑曲线。

其有益效果是：方便建模、仿真和优化。

在一些实施例中，其中光滑纽结曲线为p、q环面纽结曲线，所述环面纽结曲线可以表示为：

其中t在0到2π中变化，如果c＝b，则为圆环面曲线，如果c≠b，则为椭圆环面曲线，p和q互质，p表示曲线绕环面纵向旋转的圈数，q表示曲线绕环面子午线方向旋转的圈数。

其有益效果是：利用其独特形状，实现独特的电磁波特性。

在一些实施例中，其中p为2，q为大于等于3的奇数。

其有益效果是：利用其独特形状，实现独特的电磁波特性。