全波段强磁响应宽频带负磁导率超材料制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于全波段的强磁谐振单层超材料。该单层超材料由孔状结构基底和附着在基底孔处的良导体金属谐振结构构成。当电磁波垂直入射时，磁场分量直接激励超材料的磁谐振，从而在谐振频率附近获得很高的正磁导率和负磁导率。本发明专利技术具有在相同结构形式下，仅通过调节该超材料的结构参数，在微波、太赫兹波和光波段均可实现直接激发强磁响应。该超材料具有结构简单、加工方便、厚度薄和体积小等优势，可应用于负折射率超材料的设计等领域。

Wide-band negative permeability metamaterials with full-band strong magnetic response

The invention discloses a high magnetic resonance single layer supermaterial suitable for full band. The single-layer supermaterial consists of a porous structure base and a good conductor metal resonance structure attached to the base hole. When the electromagnetic wave is incident vertically, the magnetic field component directly excites the magnetic resonance of the metamaterial, thus obtaining high positive permeability and negative permeability near the resonance frequency. The invention has the advantages that under the same structure form, direct excitation of strong magnetic response can be realized in microwave, terahertz wave and optical band only by adjusting the structure parameters of the supermaterial. The supermaterial has the advantages of simple structure, easy processing, thin thickness and small volume. It can be used in the design of negative refractive index supermaterials and other fields.

【技术实现步骤摘要】
全波段强磁响应宽频带负磁导率超材料
本专利技术涉及一种负磁导率超材料，具体涉及一种孔状结构全波段强磁响应宽频带负磁导率超材料。
技术介绍
超材料是一种人工复合材料，通过设计其单元结构来实现对外加电磁场产生自然界所不具备的奇异电磁响应。超材料的电磁属性取决于其单元结构，即微结构。由于微结构的单元尺寸比入射电磁波的波长小，超材料相对于入射电磁波而言可视为均匀的，即超材料的电磁特性可由与空间无关的等效介电常数和等效磁导率表征。超材料的特殊性能引起了国内外研究人员的极大兴趣，并设计了许多新颖的超材料，如负折射率超材料、零折射率超材料和负磁导率超材料等。其中，负磁导率超材料在成像应用中，相对于一般透镜而言能够增强电磁波的成像效果和提高能量的传输性能。然而，由于自然界中大多数磁性物质的磁响应具有高频截止特性，导致在更高频段的微波、太赫兹波以及光波段的磁响应非常弱，且负磁导率的工作带宽很窄。因此，高频强磁谐振宽频带负磁导率超材料成为一个重要的研究热点。负磁导率超材料的主要技术途径是使入射电磁波的磁场分量穿过开口谐振环或者通过多层叠加的方式，诱导原子或分子等级谐振结构的局域磁响应，使其在宏观属性上表现为负磁导率。为使入射电磁波的磁场分量穿过开口谐振环直接激发磁响应，人们设计了平面开口谐振环和竖直开口谐振环结构。其中，平面开口谐振环需要采用侧入射的方式，从而极大地限制了其应用，且难以在结构不变的情况下仅通过改变结构参数应用到更高的太赫兹波段和光波段，而竖直开口谐振环结构则不仅增加了微结构单元的加工难度，还会引入较强的双各向异性，导致其双负折射率频带变窄，且同样也难以仅通过改变结构参数应用于光波段。对于多层叠加实现磁响应的技术途径，通常难以实现很强的磁响应，且中心对称的谐振结构加工难度很大，限制了其向太赫兹波段和光波段的拓展应用。此外，虽然人们还提出了许多不同结构的负磁导率超材料，但这些超材料也难以在保持结构不变时仅通过改变单元结构的尺寸使其在微波到光波段具有很好的普适性。因此，发展一种具有全波段强磁响应且结构简单的宽频带负磁导率超材料对于促进太赫兹技术的应用尤为重要。综上所述，我们提出了一种基于孔状结构的全波段强磁响应宽频带负磁导率超材料。该结构可通过改变单元结构的尺寸，在微波、太赫兹波以及光波段实现很强的磁响应，进而在不同波段获得宽频带负磁导率。该结构还可根据不同的应用需求与相应的结构进行组合，应用到负折射率等领域。
技术实现思路
本专利技术针对现有负磁导率人工超材料设计中所存在的缺陷和不足，提供了一种全波段强磁响应宽频带负磁导率超材料。本专利技术采用的技术方案是，提出一种全波段强磁响应宽频带负磁导率超材料，其特点在于：1、该超材料由阵列式结构单元组成，每个结构单元包括孔状结构基底，以及每个基底孔处附着的金属谐振结构；2、可只通过改变该负磁导率超材料的周期、厚度、基底孔结构和谐振结构的尺寸，在微波、太赫兹波以及光波段实现强磁响应。其中，所述介质层材料可以但不限于是聚合物特氟龙、柔性材料聚酰亚胺或非柔性材料蓝宝石。其中，所述基底孔状结构可以但不限于是方形孔或圆形孔。其中，所述金属谐振材料可以但不限于是金、银或铜。其中，所述金属谐振结构可以但不限于是闭环谐振结构或开口谐振环结构。进一步地，根据不同的频段以及应用场景设定超材料单元结构的周期、介质层材料、介质层的厚度、孔的形状、孔的尺寸、金属谐振结构材料以及金属谐振结构的厚度，进而实现相应的功能。进一步地，所述单层负磁导率超材料谐振结构在保持结构不变时只改变结构尺寸，即可实现调节谐振频率以及相应负磁导率的功能。与现有技术相比，本专利技术的技术具有以下优点：1、本专利技术所提供的强磁谐振负磁导率超材料，只需要改变该负磁导率超材料单元结构的尺寸，即可在微波、太赫兹波以及光波段实现强磁响应；2、本专利技术所提供的强磁谐振负磁导率超材料，能有效地增强谐振结构处的磁场，并且可以实现很大的磁导率或负磁导率；3、本专利技术所提供的强磁谐振负磁导率超材料在入射电磁波垂直入射时，其谐振频率处的磁场主要局域在谐振结构所包围的范围内，这使得该结构与其它结构组合时产生的耦合作用更小，更有利于通过结构组合实现其它功能；4、本专利技术所提供的强磁谐振负磁导率超材料的单元结构相比于很多已有的磁谐振结构或技术途径更简单，且单层结构也更薄，有利于实现加工和系统集成。附图说明为了更清楚地对本专利技术实施例作进一步详细说明，下面将对实施例中使用的附图作简单地介绍。有必要在此指出的是，所述附图仅仅只是用于对本专利技术的进一步描述的实施例，而并不意味着是对本专利技术保护范围的任何限定。图1是根据本专利技术实施例1、实施例2和实施例3的负磁导率超材料结构示意图，该超材料是由聚酰亚胺方形孔结构和材料为金的金属方形孔组成。图2是根据本专利技术实施例1、实施例2和实施例3的负磁导率超材料在TE波正入射时的侧面示意图。图3是根据本专利技术实施例1、实施例2和实施例3的负磁导率超材料在TM波正入射时的侧面示意图。图4是根据本专利技术的实施例1的负磁导率超材料在微波段TE波正入射时磁导率的实部和透过率随工作频率的变化曲线。图5是根据本专利技术的实施例1的负磁导率超材料在微波段TM波正入射时磁导率的实部和透过率随工作频率的变化曲线。图6是根据本专利技术的实施例2的负磁导率超材料在太赫兹波段TE波正入射时磁导率的实部和透过率随工作频率的变化曲线。图7是根据本专利技术的实施例2的负磁导率超材料在太赫兹波段TM波正入射时磁导率的实部和透过率随工作频率的变化曲线。图8是根据本专利技术的实施例3的负磁导率超材料在光波段TE波正入射时磁导率的实部和透过率随工作频率的变化曲线。图9是根据本专利技术的实施例3的负磁导率超材料在光波段TM波正入射时磁导率的实部和透过率随工作频率的变化曲线。图中：1是孔状介质结构，2是金属谐振结构。具体实施例按照前面所述的设计方法，结合本实施例中的附图，对本专利技术实施例中设计方案进行清楚、完整地描述；所描述的实施例仅仅是本专利技术中的一部分实施例，而不是意味着是对本专利技术保护范围的任何限定。实施例1基于孔状结构的微波波段强磁响应宽频带负磁导率超材料，其由材料为聚酰亚胺的方形孔状结构基底1和材料为良导体金的金属方环谐振结构2组成，如附图1所示。聚酰亚胺的介电常数为3.5，损耗为0.0027西门子/米。作为实施例，结构单元的周期为10毫米，金属谐振结构的厚度为0.002毫米，单层谐振结构的厚度为0.1毫米。图2为本实施例中的负磁导率超材料在TE波垂直入射时的示意图，图4为本实施例中的负磁导率超材料在TE波垂直入射时磁导率实部和透过率随频率的变化曲线。负磁导率超材料的共振频率为9.97GHz；该超材料的磁导率在10.01GHz到14.17GHz之间宽达4.16GHz范围内均为负，在9.97GHz处高达-89.65；此外，该超材料的磁导率在10.05GHz处高达1103.00。图3为本实施例中的负磁导率超材料在TM波垂直入射时的示意图，图5为本实施例中的负磁导率超材料在TE波垂直入射时磁导率实部和透过率随频率的变化曲线。负磁导率超材料的共振频率为10.08GHz；该超材料的磁导率在10.09GHz到13.67GHz之间宽达3.58GHz范围内均为负，在10.09GHz处可达-2133.02；此外，该超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于孔状结构的全波段强磁响应宽频带负磁导率超材料，其特征在于：所述负磁导率超材料的结构单元划分为孔状结构基底和附着于基底孔处的金属谐振结构；所述负磁导率超材料的周期、厚度、基底孔状结构和谐振结构的尺寸可灵活多变，进而在微波、太赫兹波以及光波段实现强磁响应。

【技术特征摘要】
1.一种基于孔状结构的全波段强磁响应宽频带负磁导率超材料，其特征在于：所述负磁导率超材料的结构单元划分为孔状结构基底和附着于基底孔处的金属谐振结构；所述负磁导率超材料的周期、厚度、基底孔状结构和谐振结构的尺寸可灵活多变，进而在微波、太赫兹波以及光波段实现强磁响应。2.据权利要求1所述的全波段强磁响应宽频带负磁导率超材料，其特征在于：所述负磁导率超材料的强磁响应由入射电磁波的磁场分量直接激励超材料的磁谐振实现。3.据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彬，凌芳，钟哲强，张源，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51