CN107085341A - 一种基于多层二氧化钒的可调控二维光学隐身斗篷 - Google Patents

一种基于多层二氧化钒的可调控二维光学隐身斗篷 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多层二氧化钒的可调控二维光学隐身斗篷。该可调控二维光学隐身斗篷是将二氧化钒环层以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二氧化钒的晶格结构，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，通过循环控制每个环层中二氧化钒的晶格结构变化，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循环开关的缺点。

Description

一种基于多层二氧化钒的可调控二维光学隐身斗篷
技术领域
本发明涉及一种基于多层二氧化钒的可调控二维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。
二氧化钒是目前研究得最多、最为成熟的相变材料，已经广泛应用于高速存储器中。二氧化钒具有单斜结构的绝缘体态和四方结构的金属态两种状态，在外界光、热、电、磁或者应力的作用下，二氧化钒可以在绝缘体态和金属态两种状态间改变，而伴随着二氧化钒的状态(晶格结构)改变，其介电常数和磁导率也会发生可逆性改变。
本发明提供一种基于多层二氧化钒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二氧化钒环层以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二氧化钒的晶格结构，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二氧化钒的单斜结构的绝缘体态-四方结构的金属态的变化过程，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。本发明基于二氧化钒晶格结构可控原理，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，利用二氧化钒这一常见材料，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：
一种基于多层二氧化钒的可调控二维光学隐身斗篷，包括衬底层、间隔环层、二氧化钒环层、附于二氧化钒环层底层的金属薄层贴片、控制单元和供能单元；
该可调控二维光学隐身斗篷将二氧化钒环层以x-y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，每层二氧化钒环层底部均贴有金属薄层贴片，每层二氧化钒环层之间均有间隔环层隔离；
衬底层处于二维多层二氧化钒环层下方，用于承载二维多层二氧化钒环层，被隐藏的目标放置于二维多层二氧化钒环层的中心位置；
衬底层与金属薄层贴片接触，同时衬底层对应于每个金属薄层贴片处都钻有小孔，小孔孔径为1μm～1cm、深度为1cm～100cm；小孔内安装导线，导线一端连接在金属薄层贴片上，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二氧化钒环层的加热时间，进而控制不同二氧化钒环层中二氧化钒的晶格结构，即二氧化钒在单斜结构的绝缘体态和四方结构的金属态之间转换，使每层二氧化钒环层对应不同的介电常数和磁导率系数，实现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。
所述的二氧化钒环层的形状为圆环、椭圆环、正方环、矩形环或六边环，每层二氧化钒环层独立控制和工作；二氧化钒环层的宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。
所述的金属薄层贴片为Al片、Ag片、Au片、Cu片或Ni片，其宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。
所述的间隔层的材质为硅酸钙、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、厚度为20nm～10cm。
所述的衬底层的材质为聚亚胺、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、光能、压强或核能；
所述的多层二氧化钒结构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：本发明基于二氧化钒晶格结构可变原理，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二氧化钒的可调控二维光学隐身斗篷，可以通过外加电、热、光或磁场对改变二氧化钒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多层二氧化钒的二维可调控光学隐身斗篷切面图。
图1(b)为本发明提供的一种基于多层二氧化钒的二维可调控光学隐身斗篷俯视图。
图2(a)为N层(N≥1)二氧化钒环层的示意图。
图2(b)为二维可调控光学隐身斗篷的示意图。
图3(a)为本发明提供的一种基于多层二氧化钒的二维可调控光学隐身斗篷在光学隐身功能开设状态下的光场分布情况。
图3(b)为本发明提供的一种基于多层二氧化钒的二维可调控光学隐身斗篷在光学隐身功能关闭状态下的光场分布情况。
图中：1衬底层；2N层(N≥1)二氧化钒环层；3二氧化钒环层；4间隔环层；
5小孔；6导线；7控制单元；8供能单元；9地线；10金属薄层贴片。
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，将设计好的二氧化钒环层制备在衬底1的上表面，即以x-y水平面中心为轴由内至外在x、y轴线方向逐层延拓形成，实现N层(N≥1)二氧化钒环层，如附图2(a)所示其中，二氧化钒环层的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。金属薄层贴片10通过镀膜工艺被加工在N层(N≥1)二氧化钒环层2的底部和衬底1的上部之间。
衬底对应于每个金属薄层贴片10处，都钻有小孔5。小孔内安装导线6，导线一端连接在金属薄层贴片10上，另一端经过控制单元7和供能单元8接地线9，通过操控控制单元7，可以调控供能单元8对每层二氧化钒环层的加热时间，进而控制不同环层中二氧化钒的晶格变化，可以使每层二氧化钒环层对应不同的介电常数和磁导率系数，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二氧化钒的可调控二维光学隐身斗篷，如附图2(b)所示。
如图3所示，当一种基于多层二氧化钒的可调控二维光学隐身斗篷中的二氧化钒发生晶格变化，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)

1.一种基于多层二氧化钒的可调控二维光学隐身斗篷，其特征在于，该可调控二维光学隐身斗篷包括衬底层、间隔环层、二氧化钒环层、附于二氧化钒环层底层的金属薄层贴片、控制单元和供能单元；
该可调控二维光学隐身斗篷将二氧化钒环层以x-y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，每层二氧化钒环层底部均贴有金属薄层贴片，每两层二氧化钒环层之间均有间隔环层隔离；
衬底层处于二维多层二氧化钒环层下方，用于承载二维多层二氧化钒环层，被隐藏的目标放置于二维多层二氧化钒环层的中心位置；
衬底层与金属薄层贴片接触，同时衬底层对应于每个金属薄层贴片处都钻有小孔，小孔孔径为1μm～1cm、深度为1cm～100cm；小孔内安装导线，导线一端连接在金属薄层贴片上，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二氧化钒环层的加热时间，进而控制不同二氧化钒环层中二氧化钒的晶格结构，即二氧化钒在单斜结构的绝缘体态和四方结构的金属态之间转换，使每层二氧化钒环层对应不同的介电常数和磁导率系数，实现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所述的可调控二维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的二氧化钒环层的形状为圆环、椭圆环、正方环、矩形环或六边环，每层二氧化钒环层独立控制和工作；二氧化钒环层的宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。
3.根据权利要求1或2所述的可调控二维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的金属薄层贴片为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所述的可调控二维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的间隔层的材质为硅酸钙、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、厚度为20nm～10cm。
5.根据权利要求3所述的可调控二维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的间隔层的材质为硅酸钙、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、厚度为20nm～10cm。
6.根据权利要求1、2或5所述的可调控二维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的衬底层的材质为聚亚胺、塑料、BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3。
7.根据权利要求3所述的可调控二维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的衬底层的材质为聚亚胺、塑料、BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3。
8.根据权利要求4所述的可调控二维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的衬底层的材质为聚亚胺、塑料、BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的可调控二维光学隐身斗篷，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、光能、压强或核能。
10.根据权利要求1、2、5、7或8所述的可调控二维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的多层二氧化钒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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