CN113126192B

CN113126192B - 一种基于可弯曲无序型亚波长倾斜光栅结构的隐身方法

Info

Publication number: CN113126192B
Application number: CN202010043409.7A
Authority: CN
Inventors: 彭茹雯; 范仁浩; 刘冬; 王牧
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: CN113126192A

Abstract

本发明公开一种基于可弯曲无序型亚波长倾斜光栅结构的隐身方法，包括：构造多个矩形或条形板状光栅单元，所述光栅单元包括待隐身物体及包裹待隐身物体的金属光栅壳；将所述光栅单元沿水平方向依次倾斜排布，并通过相对布置的透明柔性支撑件将光栅单元的两条短边分别固定，以形成倾斜光栅结构；太赫兹波段电磁波入射光栅结构后激发金属光栅壳表面产生等离激元，所述等离激元沿着光栅结构的狭缝传播并转化为电磁波出射，从而实现金属光栅壳内待隐身物体的太赫兹波段的宽带隐身。该方法实现方式简单，制作成本低。

Description

一种基于可弯曲无序型亚波长倾斜光栅结构的隐身方法

技术领域

本发明属于隐身技术领域，具体涉及一种基于可弯曲无序型亚波长倾斜光栅结构的隐身方法。

背景技术

当电磁波入射至物体表面时，物体通常会反射或散射部分电磁波，这些反射或散射的电磁波能够被眼睛或其它探测器检测到，从而物体被感知其存在，不能被隐身。最近几十年，光学隐身技术很受人们关注，也已取得长足的进展，已经发展出一系列方法来实现光学隐身，比较著名的光学隐身方案包括：基于变换光学的隐身、地毯隐身、等离激元隐身、地幔隐身、传输线网络隐身、补偿介质隐身、方解石或聚合物实现的光频的隐身等。其中绝大部分方案只能在单频或有限的频率范围内实现隐身；少数光学隐身方案可以实现宽带隐身，比如地毯隐身使用非共振的材料可以实现宽带的隐身，又如方解石构造的多边形隐身介质和聚合物实现的漫射隐身介质可以在全光频范围实现隐身。但是通常宽带光学隐身需要比较大的隐身介质，并且隐身介质无法弯曲变形。因此，发展一种体积小同时又能实现宽带隐身的可弯曲变形隐身材料非常有意义。

发明内容

为了克服普通的宽带光学隐身需要比较大的隐身介质，并且隐身介质无法弯曲变形的问题，本发明提出一种基于可弯曲无序型亚波长倾斜光栅结构的隐身方法。本发明的技术方案如下：

一种基于可弯曲无序型亚波长倾斜光栅结构的隐身方法，包括：

构造多个矩形或条形板状光栅单元，所述光栅单元包括待隐身物体及包裹待隐身物体的金属光栅壳；所述光栅单元的长边长度为l，短边长度为h，厚度为a；各个光栅单元的厚度a不完全一致；

将所述光栅单元沿水平方向依次倾斜排布，并通过相对布置的透明柔性支撑件将光栅单元的两条短边分别固定，以形成倾斜光栅结构，所述光栅结构可通过透明柔性支撑件折弯成弧形；所述光栅结构中，光栅单元与垂直方向的角度(即光栅倾斜角度)为φ，相邻光栅单元的板面相对布置，光栅单元的厚度a即为栅线宽度，相邻光栅单元之间的狭缝宽度为p且狭缝宽度p不完全一致；

太赫兹波段电磁波入射光栅结构后激发金属光栅壳表面产生等离激元，所述等离激元沿着光栅结构的狭缝传播并转化为电磁波出射，从而实现金属光栅壳内待隐身物体的太赫兹波段的宽带隐身。

作为一种优选方案，所述倾斜光栅结构折弯的最大弧度不超过π，且保证各光栅单元不接触。

作为一种优选方案，所述金属光栅壳的材质为导电金属金、银、铜、铝，或者上述合金材料。

作为一种优选方案，所述金属光栅壳的厚度d为1-10微米。

作为一种优选方案，所述光栅倾斜角度φ与栅线宽度a和狭缝宽度p的关系为：tanφ(1+tan²φ)/(1+tanφ)＝a/(a+p)。

作为一种优选方案，所述栅线宽度a为30-3000微米，所述狭缝宽度p为30-3000微米。

作为一种优选方案，各光栅单元的栅线宽度a以及相邻光栅单元之间的狭缝宽度p的变化幅度不超过20％。

作为一种优选方案，各光栅单元的各光栅单元的栅线高度h不要求完全一致，高度h为2～10厘米，变化幅度不超过20％。

作为一种优选方案，通过相对布置的透明柔性支撑件将光栅单元的两条短边分别固定，具体包括：通过柔性透明材料将光栅单元的两条短边分别粘合，固化后形成相对布置的透明柔性支撑件，优选的，所述柔性透明材料为二甲基硅氧烷；或通过预先制作好的透明柔性支撑件将光栅单元的两条短边分别固定。

作为一种优选方案，构造多个矩形或条形板状光栅单元，具体包括：将待隐身物体自身或通过承载介质构造为矩形或条形板状光栅单元本体，然后将金属浆料涂覆于光栅单元本体表面，形成包裹待隐身物体的金属光栅壳。所述待隐身物体为直径10-500微米的颗粒状物体时：先通过粘合剂将所述颗粒状物体分布于片状或条状承载介质的表面形成光栅单元本体，然后将金属浆料涂覆于承载介质表面以形成包裹颗粒状物体的金属光栅壳。

作为一种优选方案，电磁波的入射角度θ为-15°到30°，其中，入射方向和光栅倾斜方向相同的角度为正，相反的角度为负。

本发明可应用于小型物体的反探测，具有以下有益效果：

1)本发明公开的基于可弯曲无序型亚波长倾斜光栅结构的隐身方法，电磁波激发金属表面的等离激元沿着光栅结构的狭缝传播，不受无序的影响，可实现太赫兹波段的宽带隐身，具有鲁棒性。

2)通过可弯曲特性，进一步抑制了相位差的改变，实现了更好的隐身效果。

3)在使用时，不要求严格的正入射，电磁波的入射角度θ在-15°到30°范围内都可以。

4)实现方式简单，将待隐身物体构造为条形或矩形板状结构，再通过表面覆盖金属膜，然后排列成倾斜光栅结构即可，制作方式简单，成本成本低。

附图说明

图1为基于可弯曲无序型倾斜光栅结构的结构示意图，其中：(a)为未弯曲的光栅结构横截面图，(b)为未弯曲的隐身光栅结构包含支撑件的立体图，(c)为弯曲后的光栅结构横截面图，(d)为弯曲后的隐身光栅结构包含支撑件的立体图。图中包含黑色实线的箭头标出入射光和出色光的方向，入射角度为θ，图中包含黑色虚线OM标出了光栅结构中心的曲率半径R。

图2为未弯曲的光栅结构实验结果，其中：(a)为表面覆盖金属膜后的隐身光栅结构横截面照片；(b)为裸露介质光栅结构的时域信号、隐身光栅结构的时域信号以及做对比的空气的时域信号；(c)为裸露介质光栅结构的透射谱线、隐身光栅结构的透射谱线；(d)为裸露介质光栅结构相对空气的位相延迟、隐身光栅结构相对空气的位相延迟。

图3为弯曲后的隐身光栅结构实验结果，其中：(a)为表面覆盖金属膜后的弯曲隐身光栅结构横截面照片；(b)为裸露介质光栅结构的透射谱线、隐身光栅结构的透射谱线；(c)为裸露介质光栅结构相对空气的位相延迟、隐身光栅结构相对空气的位相延迟；(d)为隐身光栅结构不同入射角度的透射谱线相对正入射的比值；(e)为隐身光栅结构不同入射角度相对正入射的位相延迟。

具体实施方式

本发明发现无序型亚波长倾斜金属光栅结构的宽带透射特性，发现电磁波可激发金属光栅表面等离激元，被激发的等离激元沿着狭缝传播并重新辐射电磁波，不受无序的影响，并具有鲁棒性。电磁波的透射仅与金属表面有关，因此可以在每个光栅单元内部隐藏不与金属外壳发生化学反应的固态物体，达到宽带隐身的效果。

实施例中公开一种基于可弯曲无序型亚波长倾斜光栅结构的隐身方法，应用于粉末状的待隐身物，主要包括以下步骤：

步骤1、先把待隐身的粉末状物体用胶水等方式粘合固定在一张作为承载物的纸板上；所述纸板厚度大约为0.02-0.3毫米；被隐身的粉末直径可分布在10-500微米。

步骤2、把这个带有粉末物体的纸剪成宽度(矩形短边)和长度(矩形长边)参数变化幅度在20％以内的矩形板状物体(类似切片面包)，即构成光栅单元本体，其中，栅线宽度(即矩形板状物的厚度)通常控制在30-3000微米，栅线高度(即矩形短边)通常控制在2-10厘米；

步骤3、然后用导电银浆在每一个光栅单元本体表面均匀涂抹，待导电银浆干燥后，会在待隐身物体表面形成一层厚度为1-10微米金属薄膜，包裹在整个样品周围，形成光栅单元；

步骤4、再将包裹了金属薄膜的光栅单元在水平方向依次排列，并与垂直方向具有一夹角(倾斜角度为φ)，相邻光栅单元之间的距离即缝隙间距为30-3000微米，由此形成倾斜光栅结构；

步骤5、将光栅结构的两端(矩形短边)用柔性的二甲基硅氧烷粘合在一起，固化后形成相对布置的透明柔性支撑件，使得倾斜光栅结构固定成型。

其中，光栅最优的倾斜角度φ与栅线宽度a和狭缝宽度p的关系为：tanφ(1+tan²φ)/(1+tanφ)＝a/(a+p)。

需要说明的是，若待隐身物体为其它形态的固态物体，例如，本身就为条形板状或矩形板状的待隐身物体，可根据需求稍加修剪尺寸直接作为光栅单元本体，无需要承载介质，在其表面直接涂覆金属浆料即可；如果是其它形状非规则物体，也可进行相应的修剪或者直接研磨成粉末状，再采用上述方法。总之，无论采用什么方法，最终形成符合要求的具有金属光栅壳的光栅单元即可。区别于常规的光栅结构，本发明中的光栅单元并非二维的光栅线条，而是具有一定厚度的三维板状结构，其长度(长边)、宽度(短边)和厚度都需要关注，特别是宽度和厚度。

下面结合附图给出一种隐藏块状GaAs的方法，具体如下：

首先是准备待隐身物体。先把块状的待隐身物体GaAs(特博科技有限公司)研磨成粉末状，然后把GaAs粉末与AB胶(得力集团有限公司)混合，并平整的铺在一张厚度约0.14mm的纸板一面上。待胶水干燥，GaAs粉末与纸板粘在一起，再用同样方法粘合GaAs粉末与纸板另一面，最后整个厚度约0.25(±0.01)mm，相当于光栅条的宽度a。

然后是制作光栅单元本体。把这个带有GaAs粉末的纸裁剪成宽度为4(±0.1)mm的矩形板状结构，构成光栅单元本体，4(±0.1)mm相当于光栅单元的高度h(通常对应短边的长度)。把这些具有一定厚度的矩形板状光栅单元本体(包含了待隐身物体，也可称裸露介质光栅结构)排列成倾斜光栅样品，其狭缝宽度约p＝0.14(±0.01)mm，倾斜角度φ＝36°。光栅单元的宽度a，光栅单元的高度h，光栅条之间狭缝宽度的p等参数变化幅度均控制在20％以内即可，其中变化幅度是指最大值或最小值与平均值的差值再与平均值之间的比，例如，多个光栅单元中，平均宽度为a₀，则宽度的变化范围是(1±20％)*a₀。需要说明的是，由于后续涂覆的金属薄膜的厚度非常薄，在光栅单元相关尺寸计算时忽略不计。我们通过太赫兹时域光谱仪(EKSPLA/THz,Lithuania)对该光栅单元本体构成的光栅样品的透过率进行实验测量。

最后是制作目标倾斜光栅结构。待该样品测量结束后，把光栅样品拆解成单独的光栅单元本体，然后用导电银浆(MECHANIC,MCN-DJ002)在每一个光栅单元本体表面均匀涂抹。待导电银浆干燥后，会在光栅单元本体表面形成一层金属薄膜，即金属光栅壳，约1.0-1.5μm厚，包裹在各个待隐身物体的表面。随后，再将包裹了金属薄膜的光栅单元本体重新排列成倾斜的光栅结构，其缝隙宽度约0.14(±0.01)mm，如图1(a)所示的无序型亚波长倾斜光栅结构。然后再对该目标倾斜光栅结构样品进行实验测量。

实验测量使用的是太赫兹时域光谱仪，实验中对上述两个样品的时域测量结果如图2(b)所示，分别对应了无金属壳的裸露介质光栅结构(即裸露介质光栅结构)、有金属壳的目标倾斜光栅结构(也可称隐身光栅结构)的太赫兹时域信号，其中灰色虚线表示的是没有光栅结构(即空气)，电磁波在干燥空气中传播的时域信号以此作为参考信号。在时域信号中可以看到，灰色实线的无金属壳的裸露介质光栅结构的时域信号与参考信号相比，有明显的延迟，同时其强度也有明显的降低。但是黑色实线的隐身光栅结构的时域信号与参考信号相比延迟非常小，而且其透射强度也比裸露介质光栅结构有明显提高。

通过对测量的时域信号进行傅里叶变换，并与参考信号做比值，得到样品在不同频率的透射率。在图2(c)频域谱中，裸露介质光栅结构的透射率相对较低，且振荡较大。这是由GaAs颗粒对太赫兹波的吸收和散射引起的。但是隐身光栅结构的透射率与裸露介质光栅结构相比有了一个数量级的提升，并且其透射率在0.2-1.0THz频段变化平缓，没有明显的共振出现。这是由于隐身光栅结构表面覆盖了一层金属膜，引导电磁波从光栅中间的缝隙传播。由于是手工制作，无法保证各光栅单元的相关参数完全一致，因此，该样品是一种无序型光栅结构，而这种无序抑制了伍德异常和F-P共振，因此可以实现宽带的高透射现象。图2(d)是从傅里叶变换中提取的相位信息，样品的相位信息与电磁波在干燥空气中传播的参考相位相减，得到了电磁波透过裸露介质光栅结构和隐身光栅结构与电磁波在同等体积自由空间中传播的相位差。从相位差中可以看到，裸露光栅样品的相位差变化明显且有明显的波动，但是隐身光栅结构的相位差的变化则相对平缓，且波动较小。综上，可以在实验上证明，通过在物体表面覆盖金属膜并排列成无序倾斜光栅结构，可以实现太赫兹波段的宽带隐身效果。

为了进一步抑制电磁波在经过隐身材料后与电磁波在自由空间中传播的相位差的变化，达到更好的隐身效果。由于两端用于粘合的是柔性的二甲基硅氧烷，我们可以弯曲该隐身光栅结构，其示意图如图1(c)和图1(d)所示。电磁波从上表面入射，经过狭缝传播到下表面，并辐射到空气中，光栅单元内部可以隐藏任何物体。接下来在实验中观测此弯曲结构的隐身效果，我们首先弯曲无序型倾斜金属光栅结构成弧形，使得整个光栅结构中心的曲率半径R大约是2.7cm，弯曲的隐身光栅结构光学照片如图3(a)所示。接下来对此弯曲的隐身光栅结构(即弯曲隐身光栅结构)进行实验测量，并与裸露介质光栅结构的实验数据作比较，分析其隐身效果。需要说明的是，通常弯曲的最大弧形不超过π，并且保证各光栅单元不接触。

弯曲隐身光栅结构样品的测量结果如图3(b)和3(c)所示。其中图3(b)是经过傅里叶变换后得到的透射谱。弯曲隐身光栅结构透射率的结果和平直样品透射率的结果相似，对于裸露介质光栅结构，透射率相对较低且波动较大，而对于隐身光栅结构，其透射率在0.2-1.0THz频段有了数量级的提升，波动较小，且没有明显的共振。接下来分析此弯曲隐身光栅结构的相位信息。图3(c)对应的是电磁波透过两个弯曲结构与电磁波在同等体积自由空间中传播的相位差。对于弯曲的裸露介质光栅结构，它的相位差变化明显，且到高频区域有明显的波动。但是对于弯曲隐身光栅结构，他的相位差随频率变化缓慢，波动较小。并且弯曲的隐身光栅结构与平直光栅的隐身相位差相比，变化更加平缓，这是不同位置的相位差被无序结构散射相消得到的结果。通过该实验，可以看出弯曲隐身光栅结构同样可以实现宽带的隐身，且在相位方面得到了比平直隐身光栅结构更好的实验效果。我们改变入射光的角度θ(通常默认为正入射，此处的角度是指与入射方向形成的角度)，发现弯曲隐身光栅结构在入射角度θ为-15°到30°之间的隐身效果和正入射时可比拟(入射方向和光栅倾斜方向相同的角度定为正，相反的角度定为负)，有着类似的透过强度(如图3(d))和位相差(如图3(e))。也就是说，本发明对入射光的角度并不要求一定是正入射，θ在-15°到30°范围内都可以。

最后需要说明的是，本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims

1.一种基于可弯曲无序型亚波长倾斜光栅结构的隐身方法，其特征在于，包括：

将所述光栅单元沿水平方向依次倾斜排布，并通过相对布置的透明柔性支撑件将光栅单元的两条短边分别固定，以形成倾斜光栅结构，所述光栅结构可通过透明柔性支撑件折弯成弧形；所述光栅结构中，光栅倾斜角度为φ，相邻光栅单元的板面相对布置，光栅单元的厚度a即为栅线宽度，相邻光栅单元之间的狭缝宽度为p且狭缝宽度p不完全一致；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述倾斜光栅结构折弯的最大弧度不超过π，且保证各光栅单元不接触。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属光栅壳的材质为导电金属金、银、铜、铝，或者含金、银、铜、铝任意一种导电金属的合金材料。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属光栅壳的厚度d为1-10微米。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光栅倾斜角度φ与栅线宽度a和狭缝宽度p的关系为：tanφ(1+tan²φ)/(1+tanφ)＝a/(a+p)。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述栅线宽度a为30-3000微米，所述狭缝宽度p为30-3000微米；各光栅单元的栅线宽度a以及相邻光栅单元之间的狭缝宽度p的变化幅度不超过20％。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各光栅单元的各光栅单元的栅线高度h不完全一致，高度h为2～10厘米，变化幅度不超过20％。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过相对布置的透明柔性支撑件将光栅单元的两条短边分别固定，具体包括：通过柔性透明材料将光栅单元的两条短边分别粘合，固化后形成相对布置的透明柔性支撑件；或通过预先制作好的透明柔性支撑件将光栅单元的两条短边分别固定；所述柔性透明材料为二甲基硅氧烷。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，构造多个矩形或条形板状光栅单元，具体包括：将待隐身物体自身或通过承载介质构造为矩形或条形板状光栅单元本体，然后将金属浆料涂覆于光栅单元本体表面，形成包裹待隐身物体的金属光栅壳。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电磁波的入射角度θ为-15°到30°，其中，入射方向和光栅倾斜方向相同的角度为正，相反的角度为负。