CN106983189B - 一种基于多层纳米流体的二维环形可调控光学隐身斗篷 - Google Patents

一种基于多层纳米流体的二维环形可调控光学隐身斗篷 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多层纳米流体的二维环形可调控光学隐身斗篷。该斗篷将纳米流体环层以x‑y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，通过控制不同环层中纳米流体的纳米颗粒特性、流体的结构以及纳米颗粒的化学组成，可以使每层对应不同的介电常数和磁导率系数，获得光学隐身所需的二维介电常数和磁导率系数分布，进而使光线绕过斗篷区域后，光场恢复原来的分布，实现光学隐身功能，为处在光学隐身斗篷中心的物体屏蔽掉外界光线干扰，同时不影响外界光场分布。同时，通过循环控制每个纳米流体环层中的纳米颗粒特性、流体的结构以及纳米颗粒的化学组成，实现光学隐身斗篷的实时开/关性能，克服二维光学隐身斗篷不能循环开关的缺点。

Description

一种基于多层纳米流体的二维环形可调控光学隐身斗篷
技术领域
本发明涉及一种基于多层纳米流体的二维环形可调控光学隐身斗篷的实现方法和装置，可应用于光场控制领域。
背景技术
2006年，文献1：“J.B.Pendry et al,SCIENCE,2006(312):1780”首次提出利用异向介质能够操控光波的传播方向，实现光学隐身衣概念，引起了人们的广泛关注，成为光学领域的研究热点。同年，文献2：“D.Schurig et al,SCIENCE,2006(314):977”在微波段首次实验验证了横电波二维超材料隐身斗篷。2007年，文献3：“Cai et al,Nature Photonics,2007(1):224”提出了横磁波二维超材料隐身斗篷。2010年，文献4：“Ma et al,Naturecommunications,2010(1):124”提出了基于介质板的二维孔阵列实现了电磁波的隐身效果。但是，目前二维光学隐身结构的设计，还不具备可调谐的功能(即光学隐身的开/关功能)，换句话说光学隐身斗篷的结构一旦确定以后其隐身性能将会一直存在是不能改变的，其主要原因是缺乏介电常数和磁导率系数可以被主动实时调控的天然材料，这直接制约着光学隐身技术的进一步发展。因此需要设计一种简单实用的方法对光学隐身斗篷的光学隐身功能进行调谐，他将对光学隐身斗篷的实际应用具有非常重要的意义，大大推进其实用化进程。
纳米流体在外界光、热、电、磁、气压或应力的作用下，其介电常数和磁导率会发生可逆性改变。
本发明提供一种基于多层纳米流体的二维可调控光学隐身斗篷。该二维可调控光学隐身斗篷是将纳米流体环层以x-y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，通过控制不同环层中纳米流体的纳米颗粒特性(粒度/粒度分布及形貌)、流体的结构(颗粒体积分数和分散稳定性)以及纳米颗粒的化学组成，可以使每层对应不同的介电常数和磁导率，获得光学隐身所需的二维介电常数和磁导率分布，进而使光线绕过斗篷区域后，光场恢复原来的分布，实现光学隐身功能，为处在光学隐身斗篷中心的物体屏蔽掉外界光线干扰，同时不影响外界光场分布。同时，通过循环控制每个环层中纳米流体的介电常数和磁导率，实现光学隐身斗篷的实时开/关性能，从而克服了二维光学隐身斗篷不能开关的缺点。本发明基于纳米流体的介电常数和磁导率可控原理，可以有效节省能量，延长伪装时间；在实现上，采用电、光控开关等广泛使用的器件，显著降低了光学隐身斗篷的复杂度和成本，实际应用潜力大。使用本发明技术，可以使光学隐身斗篷在大多数时间内处于关闭状态(即不隐身)，使对方探测到一些无效光学信息，而在需要的时候开启隐身功能让对方探测不到其光学信号，有效隐藏各种重要信息，麻痹敌方，使我方行动具有突然性。该技术在实现光幻想、迷惑红外光学检测器、和在军事和民用等光学隐身设备中具有巨大应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有二维光学隐身斗篷的隐身功能不具备可调谐性(即不能开/关光隐身功能)的缺点，利用纳米流体这一常见材料，提供一种实现可调控(可开/关)二维光学隐身斗篷的新技术，使得系统具备结构简单、速度快、便于操作、能耗小、实时性强和实现成本低等优点。
本发明的技术方案：
一种基于多层纳米流体的二维环形可调控光学隐身斗篷，包括衬底层、间隔环层、纳米流体环层、纳米流体环层上方的金属薄层盖片、控制单元和供能单元；该二维环形可调控光学隐身斗篷将纳米流体环层以x-y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层周期延拓形成；每个纳米流体环层上方均盖有金属薄层盖片，每个纳米流体环层之间均有间隔环层隔离；衬底层刻有多层环形槽，用于承载纳米流体，实现纳米流体环层，被隐藏的目标置于二维多层纳米流体环层的中心位置；金属薄层盖片表面连接导线，导线另一端依次经过控制单元和供能单元接地，通过操控控制单元，调控供能单元对每层纳米流体环层的作用时间，进而控制不同纳米流体环层中纳米颗粒特性(粒度/粒度分布及形貌)、流体的结构(颗粒体积分数和分散稳定性)以及纳米颗粒的化学组成，使每层纳米流体环层对应不同的介电常数和磁导率，实现光学隐身所需的二维介电常数和磁导率分布，进而使光线绕过二维斗篷区域后，光场恢复原来分布，实现光学隐身功能。
所述的纳米流体环层的形状是圆环、椭圆环、正方环、矩形环或六边环，每个纳米流体环层独立控制和工作；所述的纳米流体环层中的纳米流体是通过溶质溶于溶液形成，其中，溶质包括金属氧化物和金属氮化物如氧化钛、氧化铝、氧化锌、氧化铜、氧化铁、氧化银和氮化铝等，金属如金、银、铜、铁、铝等，其他介质如半导体材料、碳纳米管、金刚石和陶瓷颗粒等；溶液包括水、酒精和油类等。纳米流体环层的宽度为1μm～10cm、深度为20nm～10cm。
所述的金属薄层盖片是Al片、Ag片、Au片、Cu片或Ni片，其宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。
所述的间隔环层的材质是硅酸钙、多元醇/多异氰酸酯、硬质聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃、In2O3、SnO2或ITO，其宽度为1μm～10cm、深度为20nm～10cm。
所述的衬底层是聚亚胺、塑料、BK7光学玻璃，SiO2、Si3N4或Al2O3；
所述的控制单元是电控、光控、声控或磁控开关；所述的供能单元是电能、热能或光能；
所述的多层纳米流体环层通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长和分子束外延方法。
本发明的有益效果：本发明基于纳米流体的介电常数和磁导率系数可调控原理，可以有效节省能量，延长伪装时间；在实现上，采用电、光控开关等广泛使用的器件，显著降低了光学隐身斗篷的复杂度和成本，实际应用潜力大。该技术在实现光幻想、迷惑红外光学检测器、和在军事和民用等光学隐身设备中具有巨大应用价值。
本发明提供一种基于多层纳米流体环层的可调控二维光学隐身斗篷，可以通过外加电、热、光、真空压强或磁场改变纳米流体这一常见材料的介电常数和磁导率分布，提供一种实现可调控(可开/关)二维光学隐身斗篷的新技术，使得系统具备结构简单、速度快、便于操作、能耗小、实时性强和实现成本低等优点。
附图说明
图1(a)为本发明提供的一种基于N层纳米流体的二维可调控光学隐身斗篷切面图(N≥1)。
图1(b)为本发明提供的一种基于N层纳米流体的二维可调控光学隐身斗篷俯视图(N≥1)。
图2(a)为衬底层示意图。
图2(b)为N层纳米流体环层(N≥1)示意图。
图2(c)为加金属薄层盖片的N层纳米流体环层(N≥1)示意图。
图2(d)为二维可调控光学隐身斗篷示意图。
图3(a)为本发明提供的一种基于N层纳米流体的二维可调控光学隐身斗篷在光学隐身功能开设状态下(即纳米流体处于不同介电常数和磁导率时)的光场分布情况(N≥1)。
图3(b)为本发明提供的一种基于N层纳米流体的二维可调控光学隐身斗篷在光学隐身功能关闭状态下(即纳米流体处于不同介电常数和磁导率时)的光场分布情况(N≥1)。
图中：1衬底层；2N层纳米流体环层(N≥1)；3纳米流体环层；
4金属薄层盖片；5间隔环层；6隐身区域；7导线；8控制单元；
9供能单元；10地线。
具体实施方式
为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。其中的材料生长技术包括：电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，和分子束外延技术等常用技术。其中的掩模工艺包括电子束曝光和聚焦离子束曝光等常用技术。其中的刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀，如酸法刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀等常用工艺。
实施例1
首先，通过材料生长工艺和掩模工艺，将设计好的多层环沟道刻蚀在衬底1上(附图2(a))，即以x-y水平面中心为轴由内至外在x、y轴线方向逐层周期延拓形成，再在对应的环形沟道内交替注入纳米流体层3和间隔层5，实现N层纳米流体环层(N≥1)2(附图2(b))，金属薄片4盖在N层纳米流体环层(N≥1)2的上表面，用于封装纳米流体和导入外界激励(附图2(c))，每个金属盖片4上表面都联有导线7，导线7的另一端经过控制单元8和供能单元9接地线10(附图2(d))。
其中，纳米流体环层的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。
通过操控控制单元8，可以调控供能单元9对每层纳米流体环层的作用时间，进而控制不同环层中纳米流体的纳米颗粒特性(粒度/粒度分布及形貌)、流体的结构(颗粒体积分数和分散稳定性)以及纳米颗粒的化学组成，可以使每层纳米流体环层对应不同的介电常数和磁导率，实现隐身所需的二维介电常数和磁导率系数分布，进而使光线绕过斗篷区域后，光场恢复原来的分布，实现光学隐身功能。最终实现一种基于多层纳米流体环层的可调控二维光学隐身斗篷。
如图3所示，当一种基于多层纳米流体环层的可调控二维光学隐身斗篷中的纳米流体发生纳米颗粒特性(粒度/粒度分布及形貌)、流体的结构(颗粒体积分数和分散稳定性)以及纳米颗粒的化学组成的变化，其介电常数和磁导率系数分布也会发生改变，进而实现光传播方向的调控，包括开启光学隐身功能：即为处在光学隐身斗篷中心的物体屏蔽掉外界光场干扰，同时不影响外界光场分布，不被外界所探测，即光通过该隐身斗篷后不改变其场分布(如图3(a)所示)；关闭光学隐身功能：即光通过该光学隐身斗篷后其光场分布发生改变，导致光学隐身斗篷中心处所放的物体可以被外界所探测(如图3(b)所示)。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims (10)

1.一种基于多层纳米流体的二维环形可调控光学隐身斗篷，其特征在于，该二维环形可调控光学隐身斗篷包括衬底层、间隔环层、纳米流体环层、纳米流体环层上方的金属薄层盖片、控制单元和供能单元；该二维环形可调控光学隐身斗篷将纳米流体环层以x-y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层周期延拓形成；每个纳米流体环层上方均盖有金属薄层盖片，每个纳米流体环层之间均有间隔环层隔离；衬底层刻有多层环形槽，用于承载纳米流体，实现纳米流体环层，被隐藏的目标置于二维多层纳米流体环层的中心位置；金属薄层盖片表面连接导线，导线另一端依次经过控制单元和供能单元接地，通过操控控制单元，调控供能单元对每层纳米流体环层的作用时间，进而控制不同纳米流体环层中纳米颗粒特性、流体的结构以及纳米颗粒的化学组成，使每层纳米流体环层对应不同的介电常数和磁导率，实现光学隐身所需的二维介电常数和磁导率分布，进而使光线绕过二维斗篷区域后，光场恢复原来分布，实现光学隐身功能。
2.根据权利要求1所述的二维环形可调控光学隐身斗篷，其特征在于，所述的纳米流体环层的形状是圆环、椭圆环、矩形环或六边环，每个纳米流体环层独立控制和工作；所述的纳米流体环层中的纳米流体是通过溶质溶于溶液形成，其中，溶质包括金属氧化物、金属氮化物、金属、半导体材料、碳纳米管、金刚石和陶瓷颗粒，溶液包括水、酒精和油类；纳米流体环层的宽度为1μm～10cm、深度为20nm～10cm。
3.根据权利要求1或2所述的二维环形可调控光学隐身斗篷，其特征在于，所述的金属薄层盖片是Al片、Ag片、Au片、Cu片或Ni片，其宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。
4.根据权利要求1或2所述的二维环形可调控光学隐身斗篷，其特征在于，所述的间隔环层的材质是硅酸钙、硬质聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃、In2O3、SnO2或ITO，其宽度为1μm～10cm、深度为20nm～10cm。
5.根据权利要求3所述的二维环形可调控光学隐身斗篷，其特征在于，所述的间隔环层的材质是硅酸钙、硬质聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃、In2O3、SnO2或ITO，其宽度为1μm～10cm、深度为20nm～10cm。
6.根据权利要求1、2或5所述的二维环形可调控光学隐身斗篷，其特征在于，所述的衬底层是塑料、BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3。
7.根据权利要求3所述的二维环形可调控光学隐身斗篷，其特征在于，所述的衬底层是塑料、BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3。
8.根据权利要求4所述的二维环形可调控光学隐身斗篷，其特征在于，所述的衬底层是塑料、BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的二维环形可调控光学隐身斗篷，其特征在于，所述的控制单元是电控、光控、声控或磁控开关；所述的供能单元是电能、热能或光能。
10.根据权利要求1、2、5、7或8所述的二维环形可调控光学隐身斗篷，其特征在于，所述的多层纳米流体环层通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长和分子束外延方法。
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