專利名稱：一種超常材料及其色散拓撲相變方法
技術領域：
本發明屬于相變材料技術領域，涉及一種相變材料及相變方法，特別是涉及一種超常材料及其色散拓撲相變方法。
背景技術：
超常材料(Metamaterial)，是一種人工制作的亞波長元器件陣列構成的微納結構，能在特定的頻率范圍內實現給定的等效電容率ε和等效磁導率μ的分布。超常材料的普遍特點是超出了傳統材料的光學極限，諸如負折射，反常多普勒效應，克服衍射極限的超棱鏡效應等等。雙曲介質是一種各向異性的超常材料，這種材料的介電常數通常是各向異性f \ βχ
的，其等效磁導率在主軸坐標系下的各張量元通常表示為“ = μν ，其中
V
μχ>0, μ,= μζ〈0。由于此種材料的色散關系為雙曲線，故這樣的材料介質被稱為雙曲介質。而普通介質的色散關系為圓或橢圓。電磁波在雙曲介質的傳播特性和普通介質非常不同。如果超常材料發生了從雙曲介質到普通介質的轉變，S卩，超常材料的色散關系從開放的雙曲線變成封閉的圓或橢圓，那么，這種轉變稱為“色散拓撲相變”。這種色散拓撲相變能應用在光調控上面，增加了人們調控光的自由度。但是，現有的制作雙曲介質的方式，不能實現雙曲介質到普通介質的轉變。此外，現有的制作雙曲介質的方法，往往要使用金屬，而金屬存在較強的吸收，使雙曲介質的特性受到損害。因此，在外部調控下如何實現超常材料從雙曲介質到普通介質的轉變，并且盡可能減少吸收，實已成為本領域技術人員亟待解決的技術課題。
發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種超常材料及其色散拓撲相變方法，用于解決現有技術中雙曲介質不能實現色散拓撲相變的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種超常材料及其色散拓撲相變方法。一種超常材料，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軸方向交替重疊構成周期性層狀結構。優選地，所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在X軸方向的厚度均小于選定的用以照射所述超常材料的電磁波的波長的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軸方向的長度均大于所述波長的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軸方向的寬度均大于所述波長的10倍。優選地，所述法拉第磁光材料包括釔鐵石榴石、稀土法拉第磁光玻璃、磁光液晶、摻鉍復合稀土鐵石榴石、或/和鏑鐵石榴石。
優選地，所述非磁性透明材料包括玻璃、透明性樹脂、或/和透明塑料。一種超常材料的色散拓撲相變方法，所述超常材料的色散拓撲相變方法包括以下步驟步驟一，將法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在X軸方向交替重疊，制成周期性層狀結構的超常材料；步驟二，施加外磁場作用于所述超常材料；所述外磁場的電磁波的波長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軸方向的厚度的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軸方向的長度均大于所述波長的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軸方向的寬度均大于所述波長的10倍；步驟三，獲得所述超常材料在不同外磁場作用下的色散曲線；步驟四，調節外磁場的強度，實現超常材料中的色散拓撲相變。優選地，所述外磁場的方向平行于所述超常材料的橫向方向；所述外磁場的強度為O或大于法拉第磁光材料的飽和磁場強度。優選地,所述外磁場的電磁波包括可見光、紅外光、微波、太赫茲波。優選地，所述法拉第磁光材料包括釔鐵石榴石、稀土法拉第磁光玻璃、磁光液晶、摻鉍復合稀土鐵石榴石、或/和鏑鐵石榴石。優選地，所述非磁性透明材料包括玻璃、透明性樹脂、或/和透明塑料。優選地，所示超常材料的色散關系為
權利要求
1.一種超常材料，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軸方向交替重疊構成周期性層狀結構。
2.根據權利要求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軸方向的厚度均小于選定的用以照射所述超常材料的電磁波的波長的.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軸方向的長度均大于所述波長的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軸方向的寬度均大于所述波長的10倍。
3.根據權利要求I所述的超常材料，其特征在于所述法拉第磁光材料包括釔鐵石榴石、稀土法拉第磁光玻璃、磁光液晶、摻鉍復合稀土鐵石榴石、或/和鏑鐵石榴石。
4.根據權利要求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、透明性樹脂、或/和透明塑料。
5.一種超常材料的色散拓撲相變方法，其特征在于，所述超常材料的色散拓撲相變方法包括以下步驟 步驟一，將法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在X軸方向交替重疊，制成周期性層狀結構的超常材料； 步驟二，施加外磁場作用于所述超常材料；所述外磁場的電磁波的波長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軸方向的厚度的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軸方向的長度均大于所述波長的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軸方向的寬度均大于所述波長的10倍； 步驟三，獲得所述超常材料在不同外磁場作用下的色散關系； 步驟四，調節外磁場的強度，實現超常材料中的色散拓撲相變。
6.根據權利要求5所述的超常材料的色散拓撲相變方法，其特征在于所述外磁場的方向平行于所述z軸方向；所述外磁場的強度為O或大于法拉第磁光材料的飽和磁場強度。
7.根據權利要求5所述的超常材料的色散拓撲相變方法，其特征在于所述外磁場的電磁波包括可見光、紅外光、微波、太赫茲波。
8.根據權利要求5所述的超常材料的色散拓撲相變方法，其特征在于所述法拉第磁光材料包括釔鐵石榴石、稀土法拉第磁光玻璃、磁光液晶、摻鉍復合稀土鐵石榴石、或/和鏑鐵石榴石。
9.根據權利要求5所述的超常材料的色散拓撲相變方法，其特征在于所述非磁性透明材料包括玻璃、透明性樹脂、或/和透明塑料。
10.根據權利要求5所述的超常材料的色散拓撲相變方法，其特征在于所示超常材料的色散關系為 其中，kx為電磁波沿著X軸方向的布洛赫波矢，ky為電磁波沿著I軸方向的布洛赫波矢；g = J1B1 +/2S2為平均介電系數;fi = V ((I^d2), f2 = d2/ ((I^d2)分別為單位體積的超常材料中兩種薄膜的長度權重系數，^為法拉第磁光材料薄膜的介電系數，82為非磁性透明材料薄膜的介電系數；μ x和μ y = μ z則是該超常材料磁導率總/ ,仏)的矩陣元，
全文摘要
本發明提供一種超常材料及其色散拓撲相變方法，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軸方向交替重疊構成周期性層狀結構；所述法拉第磁光材料薄膜和非磁性透明材料薄膜在x軸方向的厚度均小于選定的用以照射所述超常材料的電磁波的波長的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軸方向的長度均大于所述波長的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軸方向的寬度均大于所述波長的10倍。本發明提供的超常材料可以在外磁場調控下，實現從雙曲介質到普通介質的轉變，即色散拓撲相變；同時也可以實現可逆的相變，即在外磁場調控下，該超常材料也能實現從普通介質到雙曲介質的轉變。
文檔編號G02F1/09GK102798990SQ20121033656
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者李偉, 張小剛, 蔣尋涯 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所