一种超常材料及其色散拓扑相变方法

专利名称：一种超常材料及其色散拓扑相变方法
技术领域：
本发明属于相变材料技术领域，涉及一种相变材料及相变方法，特别是涉及一种超常材料及其色散拓扑相变方法。
背景技术：
超常材料(Metamaterial)，是一种人工制作的亚波长元器件阵列构成的微纳结构，能在特定的频率范围内实现给定的等效电容率ε和等效磁导率μ的分布。超常材料的普遍特点是超出了传统材料的光学极限，诸如负折射，反常多普勒效应，克服衍射极限的超棱镜效应等等。双曲介质是一种各向异性的超常材料，这种材料的介电常数通常是各向异性f \ βχ
的，其等效磁导率在主轴坐标系下的各张量元通常表示为“ = μν ，其中
V
μχ>0, μ,= μζ〈0。由于此种材料的色散关系为双曲线，故这样的材料介质被称为双曲介质。而普通介质的色散关系为圆或椭圆。电磁波在双曲介质的传播特性和普通介质非常不同。如果超常材料发生了从双曲介质到普通介质的转变，S卩，超常材料的色散关系从开放的双曲线变成封闭的圆或椭圆，那么，这种转变称为“色散拓扑相变”。这种色散拓扑相变能应用在光调控上面，增加了人们调控光的自由度。但是，现有的制作双曲介质的方式，不能实现双曲介质到普通介质的转变。此外，现有的制作双曲介质的方法，往往要使用金属，而金属存在较强的吸收，使双曲介质的特性受到损害。因此，在外部调控下如何实现超常材料从双曲介质到普通介质的转变，并且尽可能减少吸收，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超常材料及其色散拓扑相变方法，用于解决现有技术中双曲介质不能实现色散拓扑相变的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超常材料及其色散拓扑相变方法。一种超常材料，所述超常材料包括法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在X轴方向交替重叠构成周期性层状结构。优选地，所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在X轴方向的厚度均小于选定的用以照射所述超常材料的电磁波的波长的1/30 ;所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在y轴方向的长度均大于所述波长的10倍；所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在z轴方向的宽度均大于所述波长的10倍。优选地，所述法拉第磁光材料包括钇铁石榴石、稀土法拉第磁光玻璃、磁光液晶、掺铋复合稀土铁石榴石、或/和镝铁石榴石。
优选地，所述非磁性透明材料包括玻璃、透明性树脂、或/和透明塑料。一种超常材料的色散拓扑相变方法，所述超常材料的色散拓扑相变方法包括以下步骤步骤一，将法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在X轴方向交替重叠，制成周期性层状结构的超常材料；步骤二，施加外磁场作用于所述超常材料；所述外磁场的电磁波的波长大于所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在X轴方向的厚度的30倍；所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在y轴方向的长度均大于所述波长的10倍；所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在Z轴方向的宽度均大于所述波长的10倍；步骤三，获得所述超常材料在不同外磁场作用下的色散曲线；步骤四，调节外磁场的强度，实现超常材料中的色散拓扑相变。优选地，所述外磁场的方向平行于所述超常材料的横向方向；所述外磁场的强度为O或大于法拉第磁光材料的饱和磁场强度。优选地,所述外磁场的电磁波包括可见光、红外光、微波、太赫兹波。优选地，所述法拉第磁光材料包括钇铁石榴石、稀土法拉第磁光玻璃、磁光液晶、掺铋复合稀土铁石榴石、或/和镝铁石榴石。优选地，所述非磁性透明材料包括玻璃、透明性树脂、或/和透明塑料。优选地，所示超常材料的色散关系为
权利要求
1.一种超常材料，其特征在于，所述超常材料包括法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在X轴方向交替重叠构成周期性层状结构。
2.根据权利要求I所述的超常材料，其特征在于所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在X轴方向的厚度均小于选定的用以照射所述超常材料的电磁波的波长的.1/30 ;所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在y轴方向的长度均大于所述波长的10倍；所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在z轴方向的宽度均大于所述波长的10倍。
3.根据权利要求I所述的超常材料，其特征在于所述法拉第磁光材料包括钇铁石榴石、稀土法拉第磁光玻璃、磁光液晶、掺铋复合稀土铁石榴石、或/和镝铁石榴石。
4.根据权利要求I所述的超常材料，其特征在于所述非磁性透明材料包括玻璃、透明性树脂、或/和透明塑料。
5.一种超常材料的色散拓扑相变方法，其特征在于，所述超常材料的色散拓扑相变方法包括以下步骤 步骤一，将法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在X轴方向交替重叠，制成周期性层状结构的超常材料； 步骤二，施加外磁场作用于所述超常材料；所述外磁场的电磁波的波长大于所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在X轴方向的厚度的30倍；所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在I轴方向的长度均大于所述波长的10倍；所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在Z轴方向的宽度均大于所述波长的10倍； 步骤三，获得所述超常材料在不同外磁场作用下的色散关系； 步骤四，调节外磁场的强度，实现超常材料中的色散拓扑相变。
6.根据权利要求5所述的超常材料的色散拓扑相变方法，其特征在于所述外磁场的方向平行于所述z轴方向；所述外磁场的强度为O或大于法拉第磁光材料的饱和磁场强度。
7.根据权利要求5所述的超常材料的色散拓扑相变方法，其特征在于所述外磁场的电磁波包括可见光、红外光、微波、太赫兹波。
8.根据权利要求5所述的超常材料的色散拓扑相变方法，其特征在于所述法拉第磁光材料包括钇铁石榴石、稀土法拉第磁光玻璃、磁光液晶、掺铋复合稀土铁石榴石、或/和镝铁石榴石。
9.根据权利要求5所述的超常材料的色散拓扑相变方法，其特征在于所述非磁性透明材料包括玻璃、透明性树脂、或/和透明塑料。
10.根据权利要求5所述的超常材料的色散拓扑相变方法，其特征在于所示超常材料的色散关系为 其中，kx为电磁波沿着X轴方向的布洛赫波矢，ky为电磁波沿着I轴方向的布洛赫波矢；g = J1B1 +/2S2为平均介电系数;fi = V ((I^d2), f2 = d2/ ((I^d2)分别为单位体积的超常材料中两种薄膜的长度权重系数，^为法拉第磁光材料薄膜的介电系数，82为非磁性透明材料薄膜的介电系数；μ x和μ y = μ z则是该超常材料磁导率总/ ,仏)的矩阵元，
全文摘要
本发明提供一种超常材料及其色散拓扑相变方法，所述超常材料包括法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在x轴方向交替重叠构成周期性层状结构；所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在x轴方向的厚度均小于选定的用以照射所述超常材料的电磁波的波长的1/30；所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在y轴方向的长度均大于所述波长的10倍；所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在z轴方向的宽度均大于所述波长的10倍。本发明提供的超常材料可以在外磁场调控下，实现从双曲介质到普通介质的转变，即色散拓扑相变；同时也可以实现可逆的相变，即在外磁场调控下，该超常材料也能实现从普通介质到双曲介质的转变。
文档编号G02F1/09GK102798990SQ20121033656
公开日2012年11月28日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者李伟, 张小刚, 蒋寻涯 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所