CN105629462B - 一种采用超构表面实现中红外频段隐身的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采用超构表面实现中红外频段隐身的方法，采用超构表面实现光学隐身的方法，采用超构平板材料表面，对于入射光进行振幅与相位的调控，以控制出射光所携带的信息，从而实现对于置于特定位置的二维透明物体的隐身；根据给定二维透明物体的透过率函数以及各器件位置、纳米天线的线度等信息，以及实际搭建的光学系统的参数信息，利用已有的光学模拟程序计算出平板材料所在位置的光场复振幅分布，并根据得到的复振幅分布信息对于材料表面的天线阵列进行排布，以达到隐身效果；相比传统的光学隐身方法更为简单快捷，且具有较低的器件制作难度。

Description

一种采用超构表面实现中红外频段隐身的方法
技术领域
本发明属于光学成像领域，涉及属于微纳光子学在成像领域中的应用，尤其是一种可应用于反侦测领域的新型超构表面隐身材料。
背景技术
在超材料的概念被提出之后，光学隐身由幻想变成了可能。2006年,英国物理学家Pendry等人在《Science》上撰文,提出了用超材料套实现完美隐身的思想并建立了Pendry公式；郭鹏斐硕士学位论文公开了超材料隐身天线罩研究，但是利用超材料实现隐身的进程并不顺利。目前所提出的光学隐身方法大多存在着各种各样的问题。例如将目标物体用一个球壳包裹，利用变换光学的方法对球壳内光的传播路径进行调控而消除物体的散射光。尽管此方法具有全角度的优点，但是对于入射光波长的要求非常严格，且结构复杂，难以实际投入使用，其他的隐身方法诸如毯式隐身等也大多存在难以制作、无法应用于较大物体以及使用约束较大等问题，因此不能实际投入使用，光学隐身的实现道路依然漫长而艰辛。
发明内容
本发明的目的是，采用超构表面设计隐身平板材料，尤其在波长为10.6μm的波段对二维半透明物体实现较为理想的隐身。解决了背景技术中所提到的隐身材料加工困难、线度无法提高等问题。本发明所涉及的设计方法具有较高的灵活性，可以通过对于超构表面的设计实现不同物体在不同的波段下的隐身，并且可以利用光刻加工技术进行批量的复制和生产。
本发明技术方案：采用超构表面实现光学隐身的方法，采用超构平板材料表面，对于入射光进行振幅与相位的调控，以控制出射光所携带的信息，从而实现对于置于特定位置的二维透明物体的隐身；具体步骤为：
根据给定二维透明物体的透过率函数以及各器件位置、纳米天线的线度等信息，以及实际搭建的光学系统的参数信息，利用已有的光学模拟程序计算出平板材料所在位置的光场复振幅分布，并根据得到的复振幅分布信息对于材料表面的天线阵列进行排布，以达到隐身效果；利用数值模拟程序，在二维透明物体处虚构一个透过率函数为物体实际透过率函数的倒数的假想物体，并通过在模拟的假想物体光波上叠加球面波的方式，使物光汇聚于超构材料所在位置，保证超构材料能够记录下大部分与目标二维透明物体形貌有关的信息，计算出超构材料处所对应的假想物体光光场复振幅分布；通过对于模拟过程中采样间隔的合理调控，使得在模拟过程中每一个对给定二维透明物体采样点(x,y)对应超构材料的一个像素点，并据此确定超构材料的纳米天线排布，使其与计算得到的假象物光光场的共轭相对应，从而确保由超构材料出射的光在给定二维透明物体处的光场恰好包含二维透明物体透过率函数的倒数部分，根据公式：O′(x,y)＝O*K，当入射光O透过物体时，其中的1/K部分可以与二维透明物体透过率函数K相抵消，从而使出射光O′中不携带物体信息。
进一步，利用光学模拟确定平板材料对应的复振幅分布时，利用叠加标准球面波或平面波相位，以控制出射光的方向；入射光与平板材料表面垂直且为圆偏振光，工作波段为中红外(10.6μm左右)波段。
当圆偏振光沿z轴垂直入射至长轴与x方向夹角为的纳米天线时，除去旋向相反的正常偏振光外，还会激发反常反射光，沿天线长轴与短轴偏振的部分在出射时会分别发生相位转化，即叠加一个相位，长短轴偏振光的叠加相位之间存在相位差θ，故出射光不再为简单的圆偏振光；反常反射光可被分解为两束旋向相反的圆偏光，其中与入射光旋向相同的部分相对振幅为相位增加与入射光旋向相反的部分相对振幅为相位增加
实现光学隐身的平板材料的振幅调控方式，利用矩形纳米天线长轴与短轴出射光的相位差θ与天线的长宽相关的性质，利用对天线长宽的调控将入射圆偏光转化为两个相对振幅分别为与旋向相反的圆偏光，并利用1/4波片与偏振片对特定旋向即与入射光旋向相同的部分进行保留，而对与入射光旋向相反的部分进行消光。
实现光学隐身的平板材料的相位调控方式：利用矩形纳米天线的长轴与x轴夹角的变化以及天线长宽对出射光相位的共同作用来调控目标出射光相位增量φ，具体关系为
采用超构表面实现光学隐身的平板材料的振幅调控方式，利用纳米天线长宽变化所带来的对出射光相位的调节作用来调节出射光的振幅，利用矩形纳米天线的长轴与x轴夹角的变化与天线长宽的共同作用调控相位；利用八种不同大小、具有大于90％高相位转化效率、短轴叠加相位相同(-1.05rad)、长短轴叠加相位相位差不同(0、0.29rad、0.58rad、0.89rad、1.22rad、1.59rad、2.06rad、3.14rad)、对应不同出射光相对振幅(0、1/7、2/7、3/7、4/7、5/7、6/7、1)的纳米天线组成天线阵列，将每一个纳米天线作为一个调控单元来调控出射圆偏光的相位与振幅。尤其是利用长宽分别为1800*1800，1700*2100，1650*2300，1600*2450，1600*2600，1600*2800，1500*2950，1550*3600(单位：nm)的八种不同长宽的纳米天线来调控振幅，纳米天线高度100nm，介质层厚度1350nm，金属反射层的厚度为250nm；分别对应0、1/7、2/7、3/7、4/7、5/7、6/7、1倍的相对振幅，纳米天线在超构表面上以矩形阵列(均匀排布)沿平行方向均匀排布，相邻纳米天线间的间隔大小为5500nm。
所述的采用超构表面实现光学隐身的平板材料的结构，八种不同长宽的纳米天线均以Au为反射层，氟化钡作为介质层，再利用Au作为天线；使用标准光刻与lift-off工艺进行制备；八种不同大小的天线以及天线和x方向的不同夹角使得反射波的相对振幅从0～1变化，相位于0～2pi之间变化，且保持沿天线短轴与长轴偏振的反射波振幅均在0.9附近，沿短轴出射的偏振光与入射光相比相位滞后-0.1；
利用超构表面实现对于二维半透明物体的中红外波段隐身效果：当圆偏振光垂直入射至由设计好尺寸的特殊排放的金属棒组成的超构表面材料上时，会激发出相位与振幅均经过调制的出射光。其中振幅与相位的调制效果由超构表面的天线几何特征决定。出射光在置于特定位置的二维物体处会形成与物体的透过率函数相对应的复振幅分布，因此出射光经过二维物体将不携带任何与物体的形貌相关的信息，从而实现隐身效果。这项技术相比传统的光学隐身方法更为简单快捷，且具有较低的器件制作难度，在隐身，反探测等领域具有实际意义。
如可由由二氧化碳激光器发出激光并经由扩束镜与1/4波片产生圆偏光入射至制作好的超构材料上，激发反常反射光，利用1/4波片与偏振片滤去左旋的正常反射光与反常反射光中的左旋部分，保留右旋部分，从而实现对光的振幅与相位的自由调控；当出射光抵达物体处时，光波携带的信息与物体的透过率函数抵消，从而实现隐身效果。
本发明有益效果，与现有技术相比：
(1)成本低，结构简单，便于制作，可投入大规模生产。
(2)对入射光的利用效率高，纳米天线的相位转化效率可达90％。
(3)能够实现对于宏观大尺度物体的隐身，实用性较高。
(4)利用光刻与lift-off工艺进行制备，可控性强。利用计算机模拟实现对材料的设计，不需要以现有的物体作为模板。
(5)利用天线的相位调节特性调节振幅，能够自由地对于光场进行调控，灵活性高。
(6)对不同工作波段的适应性强，能够满足不同情况下的需要。
附图说明
图1为本发明对物体进行隐身的光路示意图。
图2为本发明所采用的二维物体示意图(物体尺寸：2cm*2cm，不同衍射对应不同的振幅透过率)。
图3为本发明对二维物体的隐身效果示意图(尺寸：2cm*2cm，不同的颜色对应不同的相对振幅)。
图4为纳米天线的单元结构示意图，从左至右，从上至下分别对应振幅调控为0到1的8种纳米天线。
图5为纳米天线阵列示意图。
图6为模拟得到的8种不同大小的纳米天线分别对应的相位转化(叠加相位)效率图。
具体实施方式
根据给定二维透明物体的透过率函数以及各器件位置、纳米天线的线度等信息，以及实际搭建的光学系统(图1)的参数信息，利用已有的光学模拟程序计算出平板材料所在位置的光场复振幅分布，并根据得到的复振幅分布信息对于材料表面的天线阵列进行排布，以达到隐身效果；利用数值模拟程序，在二维透明物体处虚构一个透过率函数为物体实际透过率函数的倒数的假想物体，并通过在模拟的假想物体物光波上叠加球面波的方式，使物光汇聚于超构材料所在位置，保证超构材料能够记录下大部分与目标二维透明物体形貌有关的信息，计算出超构材料处所对应的假想物体光光场复振幅分布；通过对于模拟过程中采样间隔的合理调控，使得在模拟过程中每一个超构材料所在位置的光学模拟采样点(x,y)对应超构材料的一个像素点，并据此确定超构材料的纳米天线排布，使其与计算得到的假象物光光场的共轭相对应，从而确保由超构材料出射的光在给定二维透明物体处的光场恰好包含二维透明物体透过率函数的倒数部分。
利用光学模拟确定平板材料对应的复振幅分布时，利用叠加标准球面波或平面波相位，以控制出射光的方向；
入射光与平板材料表面垂直且为圆偏振光，工作波段为中红外(10.6μm)波段；
当圆偏振光沿z轴垂直入射至长轴与x方向夹角为的纳米天线时，除去旋向相反的正常偏振光外，还会激发反常反射光，沿天线长轴与短轴偏振的部分在出射时会分别发生相位转化，即叠加一个相位，长短轴偏振光的叠加相位之间存在相位差θ，故出射光不再为简单的圆偏振光；反常反射光可被分解为两束旋向相反的圆偏光，其中与入射光旋向相同的部分相对振幅为相位增加与入射光旋向相反的部分相对振幅为相位增加采样点(x,y)对应超构材料的一个像素点如下式所示(以入射左旋光为例)：
实现光学隐身的平板材料的振幅调控方式，其特征在于利用矩形纳米天线长轴与短轴出射光的相位差θ与天线的长宽相关的性质，利用对天线长宽的调控将入射圆偏光转化为两个相对振幅分别为与旋向相反的圆偏光，并利用1/4波片与偏振片对特定旋向进行保留。
实现光学隐身的平板材料的相位调控方式，其特征在于利用矩形纳米天线的长轴与x轴夹角的变化以及天线长宽对出射光相位的共同作用来调控目标出射光相位增量φ，具体关系为
采用超构表面实现光学隐身的平板材料的振幅调控方式，其特征在于利用长宽分别为1800*1800，1700*2100，1650*2300，1600*2450，1600*2600，1600*2800，1500*2950，1550*3600(单位：nm)的八种不同长宽的纳米天线来调控振幅，分别对应0、1/7、2/7、3/7、4/7、5/7、6/7、1倍的相对振幅，纳米天线在超构表面上以矩形阵列沿平行方向均匀排布，相邻纳米天线间的间隔大小为5500nm(图5)。
所述的采用超构表面实现光学隐身的平板材料的结构与制备方法，八种不同长宽的纳米天线均以Au为反射层，氟化钡作为介质层，再利用Au作为天线；使用标准光刻与lift-off工艺进行制备；八种不同大小的天线以及天线和x方向的不同夹角使得反射波的相对振幅从0～1变化，相位于0～2pi之间变化，且保持沿天线短轴与长轴偏振的反射波振幅均在0.9附近，沿短轴出射的偏振光与入射光相比相位滞后约-0.1。
因此，可以利用纳米天线长宽变化所带来的对出射光相位的调节作用来调节出射光的振幅，利用矩形纳米天线的长轴与x轴夹角的变化与天线长宽的共同作用调控相位。在实际试验中，利用设计好的八种不同大小、具有高相位转化效率(大于90％)、短轴叠加相位相同(-1.05rad)、长短轴叠加相位相位差不同(0、0.29rad、0.58rad、0.89rad、1.22rad、1.59rad、2.06rad、3.14rad)、对应不同出射光相对振幅(0、1/7、2/7、3/7、4/7、5/7、6/7、1)的纳米天线组成天线阵列，将每一个纳米天线作为一个调控单元来调控出射圆偏光的相位与振幅。由二氧化碳激光器发出激光并经由扩束镜与1/4波片产生圆偏光入射至制作好的超构材料上，激发反常反射光，利用1/4波片与偏振片滤去左旋的正常反射光与反常反射光中的左旋部分，保留右旋部分，从而实现对光的振幅与相位的自由调控。(图1)当出射光抵达物体处时，光波携带的信息与物体的透过率函数抵消，从而实现隐身效果(图2，3)。
该平板材料的结构特征与制作方法为以Au为反射层，氟化钡作为介质层，再利用Au作为天线(图4)，使用标准光刻与lift-off工艺进行制备。针对10.6μm波段的隐身目标，根据仿真设计的结果，八种相位转换效率不同的纳米天线的长和宽分别为1800*1800，1700*2100，1650*2300，1600*2450，1600*2600，1600*2800，1500*2950，1550*3600(单位：nm)，纳米天线高度100nm，介质层厚度1350nm，金属反射层的厚度为250nm。纳米天线的间隔为5500nm(图6)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.采用超构表面实现光学隐身的方法，其特征是入射光工作波段为中红外波段，采用超构平板材料表面，对于入射光进行振幅与相位的调控，以控制出射光所携带的信息，从而实现对于置于特定位置的二维透明物体的隐身；具体步骤为：
根据给定二维透明物体的透过率函数以及超构平板材料位置、纳米天线的线度信息，以及实际搭建的光学系统的参数信息，利用已有的光学模拟程序计算出平板材料所在位置的光场复振幅分布，并根据得到的复振幅分布信息对于材料表面的天线阵列进行排布，以达到隐身效果；利用数值模拟程序，在二维透明物体处虚构一个透过率函数为物体实际透过率函数的倒数的假想物体，并通过在模拟的假想物体光波上叠加球面波的方式，使物光汇聚于超构材料所在位置，保证超构材料能够记录下大部分与目标二维透明物体形貌有关的信息，计算出超构材料处所对应的假想物体光光场复振幅分布；通过对于模拟过程中采样间隔的合理调控，使得每一个对给定二维透明物体采样点(x,y)对应超构材料的一个像素点，并据此确定超构材料的纳米天线排布，使其与计算得到的假象物光光场的共轭相对应，从而确保由超构材料出射的光在给定二维透明物体处的光场恰好包含二维透明物体透过率函数的倒数部分，根据公式：O′(x,y)＝O*K，当入射光O透过物体时，其中的1/K部分可以与二维透明物体透过率函数K相抵消，从而使出射光O′中不携带物体信息。
2.根据权利要求1所述的采用超构表面实现光学隐身的方法，其特征是利用光学模拟确定平板材料对应的复振幅分布时，利用叠加标准球面波或平面波相位，以控制出射光的方向；入射光与平板材料表面垂直且为圆偏振光。
3.根据权利要求2所述的采用超构表面实现光学隐身的方法，其特征是当圆偏振光沿z轴垂直入射至长轴与x方向夹角为的纳米天线时，除去旋向相反的正常偏振光外，还会激发反常反射光，沿天线长轴与短轴偏振的部分在出射时会分别发生相位转化，即叠加一个相位，长短轴偏振光的叠加相位之间存在相位差θ，故出射光不再为简单的圆偏振光；反常反射光可被分解为两束旋向相反的圆偏光，其中与入射光旋向相同的部分相对振幅为相位增加与入射光旋向相反的部分相对振幅为相位增加
4.根据权利要求2所述的采用超构表面实现光学隐身的方法，其特征是实现光学隐身的平板材料的振幅调控方式，利用矩形纳米天线长轴与短轴出射光的相位差θ与天线的长宽相关的性质，利用对天线长宽的调控将入射圆偏光转化为两个相对振幅分别为与旋向相反的圆偏光，并利用1/4波片与偏振片对与入射光旋向相同的部分进行保留，而对与入射光旋向相反的部分进行消光。
5.根据权利要求3或4所述的采用超构表面实现光学隐身的方法，其特征是实现光学隐身的平板材料的相位调控方式：利用矩形纳米天线的长轴与x轴夹角的变化以及天线长宽对出射光相位的共同作用来调控目标出射光相位增量φ，具体关系为
6.根据权利要求2或4所述的采用超构表面实现光学隐身的方法，其特征是采用超构表面实现光学隐身的平板材料的振幅调控方式，利用纳米天线长宽变化所带来的对出射光相位的调节作用来调节出射光的振幅，利用矩形纳米天线的长轴与x轴夹角的变化与天线长宽的共同作用调控相位；利用八种不同大小、具有大于90％高相位转化效率、短轴叠加相位相同、相位为-1.05rad；长短轴叠加相位差不同、相位差为0、0.29rad、0.58rad、0.89rad、1.22rad、1.59rad、2.06rad或3.14rad，对应不同出射光相对振幅、相对振幅为0、1/7、2/7、3/7、4/7、5/7、6/7、1倍的纳米天线组成天线阵列，将每一个纳米天线作为一个调控单元来调控出射圆偏光的相位与振幅。
7.根据权利要求6所述的采用超构表面实现光学隐身的方法，其特征是所述的采用超构表面实现光学隐身的平板材料的结构，八种不同长宽的纳米天线均以Au为反射层，氟化钡作为介质层，再利用Au作为天线；使用标准光刻与lift-off工艺进行制备；八种不同大小的天线以及天线和x方向的不同夹角使得反射波的相对振幅从0～1变化，相位于0～2pi之间变化，且保持沿天线短轴与长轴偏振的反射波振幅均在0.9附近，沿短轴出射的偏振光与入射光相比相位滞后-0.1。
8.根据权利要求6所述的采用超构表面实现光学隐身的方法，其特征是利用长宽分别为1800*1800、1700*2100、1650*2300、1600*2450、1600*2600、1600*2800、1500*2950、1550*3600、单位：nm的八种不同长宽的纳米天线来调控振幅，纳米天线高度100nm，介质层厚度1350nm，金属反射层的厚度为250nm；分别对应0、1/7、2/7、3/7、4/7、5/7、6/7、1倍的相对振幅，纳米天线在超构表面上以矩形阵列沿平行方向均匀排布，相邻纳米天线间的间隔大小为5500nm。
9.根据权利要求6所述的采用超构表面实现光学隐身的方法，其特征是由二氧化碳激光器发出激光并经由扩束镜与1/4波片产生圆偏光入射至制作好的超构材料上，激发反常反射光，利用1/4波片与偏振片滤去左旋的正常反射光与反常反射光中的左旋部分，保留右旋部分，从而实现对光的振幅与相位的自由调控；当出射光抵达物体处时，光波携带的信息与物体的透过率函数抵消，从而实现隐身效果。
10.根据权利要求6所述的采用超构表面实现光学隐身的方法，其特征是该平板材料的结构特征与制作方法为以Au为反射层，氟化钡作为介质层，再利用Au作为天线，使用标准光刻与lift-off工艺进行制备；针对10.6μm波段的隐身目标，根据仿真设计的结果，八种相位转换效率不同的纳米天线的长和宽分别为1800*1800、1700*2100、1650*2300、1600*2450、1600*2600、1600*2800、1500*2950、1550*3600、单位：nm，纳米天线高度100nm，介质层厚度1350nm，金属反射层的厚度为250nm。
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