CN107136589B

CN107136589B - 一种基于多层液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷

Info

Publication number: CN107136589B
Application number: CN201710062100.0A
Authority: CN
Inventors: 曹暾
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2018-12-21
Anticipated expiration: 2037-01-31
Also published as: CN107136589A

Abstract

本发明提供了一种基于多层液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷。该可调控三维光学隐身斗篷通过液晶材料组成的表面覆盖壳层实现。其中，表面覆盖壳层为多个液晶材料环层自下而上叠加构成，通过控制不同环层中液晶材料的晶轴方向，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三维介电常数和磁导率分布，让本该通过隐身斗篷区域的光线，只能绕过斗篷区域，且光线在绕过斗篷区域后恢复原来的分布，使处于斗篷区域内的物体被隐身。同时，通过循环控制每个环层中液晶材料的晶轴方向，实现光学隐身斗篷的实时开/关性能，从而克服了光学隐身斗篷不能循环开关的缺点。

Description

一种基于多层液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷

技术领域

本发明涉及一种基于多层液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷的实现方法和装置，可应用于光波传播方向的控制。

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，目前光学隐身结构的设计，大多基于二维平面结构模型仿真和实验测试，三维光学隐身斗篷则鲜有报道。

另外，目前的光学隐身斗篷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。

在外界光、热、电、磁或者应力的作用下，液晶材料的晶轴方向会发生可逆，而伴随着晶轴方向的改变，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液晶材料的可调控光学隐身斗篷。该三维可调控光学隐身斗篷通过液晶材料组成的表面覆盖壳层实现。其中，表面覆盖壳层为多个液晶材料环层自下而上叠加构成，通过控制不同环层中液晶材料的晶轴方向，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三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。同时，通过循环控制每个环层中液晶材料的晶轴方向，实现光学隐身斗篷的实时开/关性能，从而克服了光学隐身斗篷不能开关的缺点。本发明基于液晶材料晶轴方向可控原理，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热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：克服现有光学隐身斗篷大多基于二维平面结构、和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，利用液晶材料这一常见材料，提供一种实现可调控（可开/关）三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：一种基于多层液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷，包括衬底层、间隔层、液晶材料环层组成的表面覆盖环层、附于液晶材料环层内壁的金属薄层贴片、内部支撑壳、控制单元和供能单元；表面覆盖环层为多个液晶材料环层自下而上叠加构成，每个液晶材料环层内壁表面均贴有金属薄层贴片，每两个液晶材料环层之间均有间隔层隔离；内部支撑壳处于多层液晶材料环层内侧，用于承载多层液晶材料环层，被隐藏的目标放置于内部支撑壳的腔内；内部支撑壳与金属薄层贴片接触，同时内部支撑壳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1μm~10cm；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，可以调控供能单元对每层液晶材料环层的加热时间，进而控制不同液晶材料环层中液晶材料的晶轴方向，可以使每层液晶材料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三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，光学场恢复原来的分布，实现光学隐身功能。

所述的液晶材料环层的形状是半球体、圆锥体、余弦体、正弦体、圆柱体、半椭圆体、正方体、矩形体或六边体，每一个液晶材料环层可独立控制和工作；液晶材料环层是向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶、碟型液晶、热致液晶、重现性液晶、手性液晶、负性液晶、端烯类液晶、嘧啶类液晶、含氟类液晶、炔类液晶、乙烷类液晶或苯基环己烷类液晶，其宽度为1μm~10cm、厚度为20nm~10cm。

所述的金属薄层贴片是Al片、Ag片、Au片、Cu片或Ni片，其宽度为1μm~10cm、厚度为20nm~10cm。

所述的间隔层是硅酸钙、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1nm~10cm、厚度为1nm~10cm。

所述的内部支撑壳是聚亚胺、塑料、BK7光学玻璃、SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃；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、光能或核能。

所述的多层液晶材料结构液晶材料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：本发明基于液晶材料晶轴方向可控原理，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。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液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷，可以通过外加电、热、光或磁场对改变液晶材料这一常见材料的介电常数和磁导率系数分布，提供一种实现可调控（可开/关）三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(N≥1) 液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷切面图。

图1(b)为本发明提供的一种基于N层(N≥1) 液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷俯视图。

图2(a)为内部支撑壳示意图。

图2(b)为N层液晶材料表面覆盖环层(N≥1)示意图。

图2(c)为可调控三维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(N≥1) 液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷在隐身功能开设状态下(即硫族化合物处于不同状态下的)的光场分布情况。

图3(b)为本发明提供的一种基于N层(N≥1) 液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷在隐身功能关闭状态下(即硫族化合物处于不同状态下的)的光场分布情况。

图中：1衬底层；2 N层液晶材料表面覆盖环层(N≥1)；3金属薄层贴片；4间隔层；5内部支撑壳；6隐身区域；7小孔；8导线；9控制单元；10供能单元；11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，利用材料生长工艺在衬底1上形成内部支撑壳5，如附图2(a)所示；

然后，通过材料生长工艺和掩模工艺，将设计好的液晶材料环层在衬底1和内部支撑壳5的外表面由下至上逐层叠加，实现N层液晶材料表面覆盖环层2，如附图2(b)所示。其中，液晶材料表面环层和内部支撑壳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3通过镀膜工艺被加工在N层液晶材料表面覆盖环层2的内环壁和内部支撑壳5的外壁之间。

内部支撑壳对应于每个金属薄层贴片3处，都钻有小孔7。小孔内安装导线8，导线一端连接在金属薄层贴片3上，另一端经过控制单元9和供能单元10接地线11，通过操控控制单元9，可以调控供能单元10对每层液晶材料的加热时间，进而控制不同环层中液晶材料的晶轴方向，可以使每层液晶材料环层对应不同的介电常数和磁导率系数，实现光隐身所需的三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液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷，如附图2(c)所示。

如图3所示，当一种基于多层液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷中的液晶材料的晶轴方向发生变化，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，实现光学隐身功能的“开”即屏蔽外来的光使得内部支撑壳5内所隐藏物体不被外界所探测，即光线通过该光学隐身斗篷后不改变其光场分布 (如图3(a)所示) 和“关”即光通过该隐身斗篷后其光场分布发生改变，导致内部支撑壳5内所放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

1.一种基于多层液晶材料的可调控三维光学隐身斗篷，其特征在于，该可调控三维光学隐身斗篷包括衬底层、间隔层、液晶材料环层组成的表面覆盖环层、附于液晶材料环层内壁的金属薄层贴片、内部支撑壳、控制单元和供能单元；表面覆盖环层为多个液晶材料环层自下而上叠加构成，每个液晶材料环层内壁表面均贴有金属薄层贴片，每两个液晶材料环层之间均有间隔层隔离；内部支撑壳处于多层液晶材料环层内侧，用于承载多层液晶材料环层，被隐藏的目标放置于内部支撑壳的腔内；内部支撑壳与金属薄层贴片接触，同时内部支撑壳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1μm～10cm；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液晶材料环层的加热时间，进而控制不同液晶材料环层中液晶材料的晶轴方向，使每层液晶材料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三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，光学场恢复原来的分布，实现光学隐身功能。

2.根据权利要求1所述的可调控三维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的液晶材料环层的形状是半球体、圆锥体、余弦体、正弦体、圆柱体、半椭圆体、矩形体或六边体，每一个液晶材料环层独立控制和工作；液晶材料环层是向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶、碟型液晶、热致液晶、重现性液晶、手性液晶、负性液晶、端烯类液晶、嘧啶类液晶、含氟类液晶、炔类液晶、乙烷类液晶或苯基环己烷类液晶，其宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。

3.根据权利要求1或2所述的可调控三维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的金属薄层贴片是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所述的可调控三维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的间隔层是硅酸钙、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1nm～10cm、厚度为1nm～10cm。

5.根据权利要求3所述的可调控三维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的间隔层是硅酸钙、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1nm～10cm、厚度为1nm～10cm。

6.根据权利要求1、2或5所述的可调控三维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的内部支撑壳是塑料、BK7光学玻璃、SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃；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所述的可调控三维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的内部支撑壳是塑料、BK7光学玻璃、SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃；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所述的可调控三维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的内部支撑壳是塑料、BK7光学玻璃、SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃；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所述的可调控三维光学隐身斗篷，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、热能或光能。

10.根据权利要求1、2、5、7或8所述的可调控三维光学隐身斗篷，其特征在于，所述的多层液晶材料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、气相外延生长或分子束外延方法。