具有供以功率的谐振单元的复合材料制造技术

描述了一种复合材料（１００）和相关的方法，该复合材料（１００）配置为对工作波长的入射辐射（１０１）表现出负有效介电常数和／或负有效磁导率，该复合材料由与工作波长有关的小尺寸的电磁活性单元（１０６）排列而成。每个单元（１０６）包括由外部提供功率的增益元件（１１０），用于增强所述谐振单元（１０６）对所述波长的入射辐射（１０１）的谐振响应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利说明书通常涉及电磁辐射的传播，尤其涉及相对于入射的电磁辐射，能呈现出负有效磁导率和/或负有效介电常数的复合材料。
技术介绍
近年来，相对于入射的电磁辐射，能呈现出负有效磁导率和/或负有效介电常数的复合材料已经引起了很多的关注。这些材料，通常可互换称作为人工材料或元材料，一般由电磁谐振单元的周期性阵列组成，与入射辐射的波长相比，这些阵列的尺寸非常小(例如，20％或更小)。虽然任何特殊单元对入射辐射的单个响应可以很复杂，但是谐振单元的聚合响应可以进行宏观描述，除磁导率项被有效磁导率取代和介电常数被有效介电常数取代外，复合材料好像是连续的材料。然而，与连续材料不同的是，谐振单元具有这样的结构，其能操纵以改变它们的磁和电属性，使得在各种有用的辐射波长上可以获得不同范围的有效磁导率和/或有效介电常数。其中特别关注的是所谓的负指数材料，通常可互换称作为左手材料或负折射材料，其中取决于谐振单元的其大小、结构和排列，有效磁导率和有效介电常数同时对于一个或多个波长是负的。负指数材料的潜在工业应用包括所谓的超透镜，其具有在衍射极限远低到λ/6和超过时成像的能力，用于机载雷达、医学成像用高分辨率核磁共振(NMR)和微波透镜的新设计。由包括负指数材料的复合材料制成的有效设备的实践中产生了一个问题，涉及到由于入射的电磁信号在通过该复合材料传播时产生了很大的损耗。因此，期望能在这些复合材料中减小损耗。还期望能提供一般的方法来减小损耗，使其能应用于在多个不同光谱范围内运行的多种复合材料。
技术实现思路
根据实施例，提供了一种复合材料，该复合材料配置为对工作波长的入射辐射表现出负有效磁导率和/或负有效介电常数，该复合材料包括与工作波长相关的小尺寸的电磁活性单元排列，其中每个单元包括由外部提供功率的增益元件，用于增强单元在工作波长上对入射辐射的谐振响应。还提供了一种用于在工作波长上传输电磁辐射的方法，其包括将复合材料放置在电磁辐射的路径中，该复合材料包括与工作波长相关的小尺寸的谐振单元，该谐振单元被如此配置使得该复合材料对工作波长表现出负有效介电常数和/或负有效磁导率。从外部电源为每个谐振单元提供功率，每个谐振单元被配置为将至少一部分功率耦合到其谐振响应中以减小电磁辐射传播通过其的净损耗。还提供了一种用于以工作波长传播电磁辐射的复合材料，其包括与工作波长相关的小尺寸的谐振单元的周期性图案。如此配置该谐振单元使得复合材料在工作波长上表现出负有效磁导率和负有效介电常数的至少一种。每个谐振单元被配置为从不同于传播电磁辐射的源的外部电源来接收功率，并且将至少一部分功率耦合到其谐振响应中以减小在电磁辐射传播中的净损耗。还提供了一种设备，被配置为对至少一个波长的入射辐射表现出负有效介电常数和负有效磁导率的至少一种，该设备具有与波长相关的小尺寸的电磁活性单元的排列。该设备包括用来将不是由入射辐射自身产生的外部功率传递到每个单元的装置。该设备还包括用来将不是入射辐射自身产生的外部功率传递到每个单元的装置。附图说明图1表示的是根据实施例的复合材料，其中用光波导为一个或多个谐振单元提供功率；图2表示的是根据实施例的复合材料，其中用光束为一个或多个谐振单元提供功率；图3表示的是根据实施例的复合材料，其中给其上设置有谐振单元的基板的边缘提供光功率；图4表示的是根据实施例的复合材料的谐振单元，该谐振单元具有光增益材料的第一空间排列；图5表示的是根据实施例的复合材料的谐振单元，该谐振单元具有光增益材料的第二空间排列；图6表示的是根据实施例的复合材料的谐振单元，该谐振单元具有光增益材料的第三空间排列； 图7表示的是根据实施例的复合材料的谐振单元，其中光增益材料是电抽运的；图8表示的是根据实施例的复合材料的谐振单元，该谐振单元由包括场效应晶体管的电放大电路组成；以及图9表示的是根据实施例的复合材料的谐振单元，该谐振单元包括具有隧道二极管的电放大电路。具体实施例方式图1表示的是根据实施例的复合材料100。复合材料100包括一个或多个平面阵列102，每个平面阵列形成在半导体基板104上。每个平面阵列102包括谐振单元106的排列，每个谐振单元具有比工作波长小(例如，20％或更小)的尺寸。如在这里使用的，工作波长指的是入射辐射101的一个波长或波长范围，对于该波长在复合材料100中可以表现出负有效介电常数和/或负有效磁导率。因此，通过非限制性实例，其中期望的工作波长在10μm附近的中红外线区域内，每个谐振单元106的尺寸和平面阵列102之间的距离都应该小于大约2μm/n，其中尺寸为大约1μm/n或更小时表现出更好的性能，其中n表示材料的折射率。应该理解，这里对工作波长的引用通常指的是自由空间波长，上下文中基板上的工作波长的尺寸是根据在工作波长内基板的折射率适当地按比例确定的。应该理解，为清楚起见，图1表示的是一个简化的实例，只示出了沿着入射辐射101的传播方向对准的单组平面阵列102。在其它实施例中，可以提供与第一组平面阵列102垂直的第二组平面阵列以促进更多传播方向的负有效介电常数和/或负有效磁导率。还在其它实施例中，可以提供与第一组和第二组平面阵列都垂直的第三组阵列以促进更加多传播方向的负有效介电常数和/或负有效磁导率。还应理解，在不脱离本专利技术教导的范围的前提下，可以在平面阵列102之间设置一组或多组额外的复合材料和/或连续材料平面。通过实例，由电介质支撑结构上的垂直导线组成的平面阵列可以与平面阵列102交织以为整个复合材料100提供更多负有效介电常数。进一步可以理解的是，平面阵列102上的谐振单元106的数量可以是成百、成千或更多，这取决于整个预期的尺寸和预期的工作波长。如图1所示，每个谐振单元106包括螺线管谐振器108，其包括具有电容和电感特性、设计成在工作波长上与入射辐射以谐振的方式相互作用的导电材料的图案。在图1的特定实例中，该导电材料形成方开口环形谐振器图案，但是可以使用其它图案，例如包括圆开口环形谐振器图案，瑞士面包卷图案或其它呈现出类似性能的图案。每个谐振单元106还有增益元件110，该增益元件110具有包括工作波长的放大波段，该增益元件110被耦合以接收来自外部电源的功率。该增益元件110被定位且配置以便增强谐振单元在工作波长对入射辐射的谐振响应。传播辐射中的损耗由于将外部提供的功率耦合到辐射单元106的响应中而得到减小。在图1的特定实例中，增益元件110包括设置在方形开口环的槽口附近的光增益元件，其方式与图4中更紧密示出的结构相似。利用来自外部光功率源114如激光器的抽运光例来抽运光增益元件110。通常用光波导112来将抽运光传输到光增益元件110。如此设置光增益元件110使得在螺线管谐振器108中出现的大量谐振场贯穿大部分的光增益材料。抽运光的数量应保持在使光增益元件110开始独立发出激光的量以下。作为例子而不是用来限定，在预期的工作波长位于大概在1.3μm-1.55μm范围内的近红外区域内的情况下，光增益材料110可以包括大块活性InGaAsP和/或根据InGaAsP/InGaAs/InP材料系统的多重量子势阱。在后一种情况，半导体基板104可以由100nm厚的顶层p-InP材料、100nm厚的底层n-InP材料以及以位于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料（１００），配置为对至少一个波长的入射辐射（１０１）表现出负有效介电常数和负有效磁导率的至少一个，该复合材料（１００）包括与所述波长相关的小尺寸的谐振单元（１０６）排列，其中每个谐振单元（１０６）包括由外部提供功率的增益元件（１１０），用于增强所述谐振单元（１０６）对以所述波长的入射辐射（１０１）的谐振响应。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：SY王，PJ屈克斯，W吴，J斯特拉津基，MS伊斯拉姆，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]