[发明专利]零折射率波导结构及零折射率材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种零折射率波导结构，包括两块平行设置的金属平板；以及复合材料，设于金属平板之间且复合材料的表面与金属平板贴合，复合材料由至少两种具有不同介电常数的非金属材料在被传导波的传播方向上以最小重复单元周期排列形成，在被传导波的传播方向上，最小重复单元的长度小于被传导波的波长；其中，金属平板与复合材料形成的结构的至少一个方向上的介电常数处于零折射率材料介电常数的预设范围内。本发明还涉及一种零折射率材料的制备方法。

技术领域

本发明涉及光学材料技术领域，特别是涉及一种零折射率波导结构及零折射率材料的制备方法。

背景技术

零折射材料，即材料的相对介电常数和/或相对磁导率接近零，从而使得该材料的折射率接近零，这种材料表现出许多独特的特征，例如电磁波隧穿效应，光场增强效应，高透射率的指向性传播效应等，同时零折射材料在非线性光学中也有着重要的应用。

各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出差异的性质。例如，各向异性材料在不同的方向上具有不同的介电常数，因此各向异性材料的介电常数通常可用介电常数张量表示，其中每一个分量表示该各向异性材料在对应方向上的介电常数。

各向异性零折射材料通常可以由以下结构制备：

(1)金属-电介质多层结构：通过对介电常数大于零的电介质和介电常数小于零的金属进行层状周期性交叠来实现各向异性零折射超材料；

(2)金属线阵列：通过对金属线在电介质中进行周期性阵列分布来实现各向异性零折射超材料。

然而，虽然这两种方法都可以较好地实现各向异性零折射材料，但是使用这两种方法构造时需要用到金属，而金属在光频段处对电磁波的损耗较大，且制备出的零折射率材料的工作频率通常可调范围较窄，难以覆盖全波段。

发明内容

基于此，有必要针对电磁波在传统的各向异性零折射率材料中传输时损耗大、工作频率不可调的问题，提供一种改进的零折射率波导结构。

一种零折射率波导结构，其特征在于，包括：

两块平行设置的金属平板；以及，

复合材料，设于所述金属平板之间且所述复合材料的表面与所述金属平板贴合，所述复合材料由至少两种具有不同介电常数的非金属材料在所述被传导波的传播方向上以最小重复单元周期排列形成，在所述被传导波的传播方向上，所述最小重复单元的长度小于所述被传导波的波长

其中，所述金属平板与所述复合材料形成的结构的至少一个方向上的等效介电常数处于零折射率材料介电常数的预设范围内。

上述波导结构，结合平板波导的色散特性，对应不同的工作频率，通过调整复合材料的最小重复单元的结构，可使所述金属平板与所述复合材料形成的结构的至少一个方向上的等效介电常数处于零折射率材料介电常数的预设范围内，从而得到对电磁波损耗小、工作频率可调的零折射率波导结构。

在其中一个实施例中，所述零折射率材料介电常数的预设范围为-0.1～0.1。

在其中一个实施例中，所述复合材料具有第二各向异性介电常数，且所述复合材料沿被传导波的传播方向的投影为矩形，所述矩形与所述金属平板平行的一边的长度为a'，与所述金属平板垂直的一边的长度为b'；

所述复合材料的至少一个方向上的等效介电常数ε'，由处于所述零折射率材料介电常数的预设范围内的所述金属平板与所述复合材料形成的结构的一个方向上的介电常数ε_eff'确定：

其中，表示所述被传导波在真空中的波数，f表示所述被传导波的频率，c表示所述被传导波在真空中的速度，m表示所述被传导波在平行于所述金属平板的方向上的半周期数，n表示所述被传导波在垂直于所述金属平板的方向上的半周期数。