CN114721072A - 一种基于消色差的多层框架结构的斜入射超表面隐身器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于消色差的多层框架结构的斜入射超表面隐身器，由框架区和隐身层组成；框架区为菱形框架所组成的空间；隐身层从下到上分别为第Ⅰ层超表面，第Ⅱ层超表面和第Ⅲ层超表面；第Ⅰ层超表面位于菱形框架的左侧且与菱形框架的下棱相切，所述第Ⅱ层超表面位于菱形框架的两侧且与菱形框架的侧棱相切，第Ⅲ层超表面位于菱形框架的右侧且与菱形框架的上棱相切；单元结构在隐身层上排列以使在平行于隐身层的方向上相位梯度dφ/dx等于
线性色散dφ/df等于
本发明具有体积小、易加工的优势，设计的方法以及隐身结构，为消色差隐身超表面的发展奠定了基础，在雷达、完美透镜和幻觉光学等领域都有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种基于消色差的多层框架结构的斜入射超表面隐身器。
技术背景
超材料是指由亚波长单元结构组成的周期性复合材料，它具有特殊的物理性质以及超常的电磁波调控能力。但是，由于目前制造工艺水平的制约，三维复杂制备工艺限制了超材料实际的应用。超表面作为二维超材料，具有结构简单、易于加工等优点，自其提出以来就引起了研究人员的极大关注。超表面对电磁波具有出色的调控功能，包括对电磁波振幅、相位、极化方向等的控制。超表面广泛地应用于物理、化学、生物、信息等领域，并极大地促进了隐身斗篷的发展。
但是目前的超表面隐身设计主要集中在单频率或窄带方面，从而让超表面隐身技术使用受限。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于消色差的多层框架结构的斜入射超表面隐身器，可以解决上述技术问题中的一个或者多个。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：
一种基于消色差的多层框架结构的斜入射超表面隐身器，由框架区与隐身层组成；
所述框架区为菱形框架所组成的空间；
所述隐身层从下到上分别定义为第Ⅰ层超表面，第Ⅱ层超表面和第Ⅲ层超表面；
定义所述菱形框架的中心为原点，Y轴与菱形框架的中心轴重合，X轴与隐身层平行，Z轴与隐身层垂直；
所述超表面包括第①单元结构和第②单元结构；
所述第Ⅰ层超表面位于菱形框架的左侧且与菱形框架的下棱相交并与X轴平行，所述第Ⅱ层超表面位于菱形框架的两侧且与菱形框架的侧棱相交并与X轴平行，第Ⅲ层超表面位于菱形框架的右侧且与菱形框架的上棱相交并与X轴平行；
所述第Ⅰ层超表面和第Ⅱ层右侧超表面将不同频率斜入射的平面波改变相同的角度分别入射到第Ⅱ层左侧超表面和第Ⅲ层超表面上，所述第Ⅱ层左侧超表面和第Ⅲ层超表面再将入射波偏转相同角度出射，使平面波围绕菱形框架传输而不发生散射；
优选的，所述单元结构在平行于隐身层的方向上相位梯度dφ/dx等于
线性色散dφ/df等于
其中，φ为单元结构的透射相位，x为单元结构与原点的水平距离，f为入射波频率，C为真空中的光速，θi为入射角，θt为折射角；
优选的，所述单元结构由硅介质构成，沿X方向周期性排列，沿Y方向相同排列；
优选的，所述第①单元结构包括基底和第一柱体；所述基底长为100微米，宽为100微米，高为80微米；所述第一柱体长为0微米-100微米，宽为100微米，高为200微米；两个第一柱体平行放置在基底上，间距为0微米-20微米，其中心点与基底中心轴等距，且与基底长、宽都互相平行；
优选的，所述第②单元结构长为100微米，宽为100微米，高为100微米-300微米；
优选的，所述第Ⅰ层超表面的相位梯度为45°；所述第Ⅱ层超表面在所述菱形框架左侧的相位梯度为-45°；所述第Ⅱ层超表面在所述菱形框架右侧的相位梯度为45°；所述第Ⅲ层超表面的相位梯度为-45°。
本发明的技术效果是：
(1)本发明结构简单，易于加工与集成。
(2)本发明材料制作成本低廉，有利于广泛的应用。
(3)本发明所使用的结构与方法不仅丰富了超表面器件的功能与种类，还为消色差隐身超表面的发展奠定了基础。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为实施例超表面隐身器件示意图。
图2为实施例超表面隐身器件设计原理图。
图3为实施例消色差超表面单元结构示意图。
其中在图3中，①表示第①单元结构，②表示第②单元结构，③表示第③单元结构。
图4为实施例消色差超表面单元结构俯视图。
图5为实施例消色差超表面单元结构线性色散示意图。
其中在图5中，横坐标是频率，纵坐标是相位(度)。
图6为实施例消色差超表面单元结构在0.375THz和0.75THz频率下的相位梯度示意图。
其中在图6中，横坐标是单元结构与原点的水平距离(微米)，纵坐标是相位(度)。
图7为实施例0.375THz的平面波通过第Ⅰ层超表面、第Ⅱ层左侧超表面、第Ⅱ层右侧超表面和第Ⅲ层超表面的电场图(标度尺表示电场能量的分布)。
图8为实施例0.75THz的平面波通过第Ⅰ层超表面、第Ⅱ层左侧超表面、第Ⅱ层右侧超表面和第Ⅲ层超表面的电场图(标度尺表示电场能量的分布)。
图9为实施例0.375THz的平面波通过第Ⅰ层超表面、第Ⅱ层左侧超表面、第Ⅱ层右侧超表面和第Ⅲ层超表面的远场图。
图10为实施例0.75THz的平面波通过第Ⅰ层超表面、第Ⅱ层左侧超表面、第Ⅱ层右侧超表面和第Ⅲ层超表面的远场图。
图11为实施例分别在0.375THz和0.75THz频率下裸露障碍物的近场分布图(标度尺表示电场能量的分布)。
图12为实施例分别在0.375THz和0.75THz频率下裸露障碍物覆盖超表面隐身器件的近场分布图(标度尺表示电场能量的分布)。
图13为实施例分别在0.375THz和0.75THz频率下裸露障碍物的远场分布图。
图14为实施例分别在0.375THz和0.75THz频率下裸露障碍物覆盖超表面隐身器件的远场分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例与附图，对本发明做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
如图1、图2所示，一种基于消色差的多层框架结构的斜入射超表面隐身器，由框架区与隐身层组成。
所述框架区为菱形框架所组成的空间。
所述菱形框架区根据被隐身物体的大小和形状进行调整。
所述第Ⅰ层超表面位于菱形框架的左侧且与菱形框架的下棱相交并与X轴平行，所述第Ⅱ层超表面位于菱形框架的两侧且与菱形框架的侧棱相交并与X轴平行，第Ⅲ层超表面位于菱形框架的右侧且与菱形框架的上棱相交并与X轴平行。
所述第Ⅰ层超表面和第Ⅱ层右侧超表面将不同频率斜入射的平面波改变相同的角度分别入射到第Ⅱ层左侧超表面和第Ⅲ层超表面上，所述第Ⅱ层左侧超表面和第Ⅲ层超表面再将入射波偏转相同角度出射，使平面波围绕菱形框架传输而不发生散射。
定义所述菱形框架的中心为原点，Y轴与菱形框架的中心轴重合，X轴与隐身层平行，Z轴与隐身层垂直。
优选的，所述单元结构在平行于隐身层的方向上相位梯度dφ/dx等于
线性色散dφ/df等于
其中，φ为单元结构的透射相位，x为单元结构与原点的水平距离，f为入射波频率，C为真空中的光速，θi为入射角，θt为折射角。
优选的，所述单元结构由硅介质构成，沿X方向周期性排列，沿Y方向相同排列。
本发明在0.375THz和0.75THz频率下对相位梯度与线性色散同时调控，使得光束传播的方向是恒定的，不会随着光束频率的不同而改变，从而减小了色差对超表面的影响，获得了消色差的功能。
如图3所示，所述单元结构包括第①单元结构；所述第①单元结构包括基底和第一柱体，所述基底为底面是正方形的长方体，底面的边长P为100微米；基底的厚度h为80微米。
两个第一柱体平行放置在基底上，间距为0微米-20微米；每一所述第一柱体长为0微米-100微米，宽为100微米，高为200微米。
如图3所示，所述单元结构还包括第②单元结构，所述第②单元结构为底面是正方形的长方体，底面的边长P为100微米；高度Z为100微米-300微米。
在某些实施例中，所述第Ⅰ层超表面的相位梯度为45°；所述第Ⅱ层超表面在所述菱形框架左侧的相位梯度为-45°；所述第Ⅱ层超表面在所述菱形框架右侧的相位梯度为45°；所述第Ⅲ层超表面的相位梯度为-45°。
在某些实施例中，所述第Ⅰ层超表面和第Ⅱ层右侧超表面将不同频率斜入射的平面波偏转60°分别入射到第Ⅱ层左侧超表面和第Ⅲ层超表面上，所述第Ⅱ层左侧超表面和第Ⅲ层超表面再将入射波偏转-60°出射，使平面波围绕菱形框架传输而不发生散射。
实施例一：
如图1所示，菱形框架区边长3200微米，高为5542.56微米。
其中，第Ⅰ层超表面位于菱形框架的左侧且与菱形框架的下棱相切，第Ⅱ层超表面位于菱形框架的两侧且与菱形框架的侧棱相切，第Ⅲ层超表面位于菱形框架的右侧且与菱形框架的上棱相切。
所述单元结构在平行于隐身层的方向上相位梯度dφ/dx等于
线性色散dφ/df等于
其中，φ为单元结构的透射相位，x为单元结构与原点的水平距离，f为入射波频率，C为真空中的光速，θi为入射角，θt为折射角。
优选的，所述单元结构由硅介质构成，沿X方向周期性排列，沿Y方向相同排列。
如图2为实施例超表面隐身器件设计原理图。
如图3所示，第Ⅰ层超表面的相位梯度为45°，第Ⅱ层超表面在所述菱形框架左侧的相位梯度为-45°，第Ⅱ层超表面在所述菱形框架右侧的相位梯度为45°，第Ⅲ层超表面的相位梯度为-45°；第Ⅰ层超表面和第Ⅲ层超表面由2个第①单元结构和6个第②单元结构分别沿X轴正方向和沿X轴负方向周期性排列的单元结构组成，其中X轴方向共有48个单元结构，Y轴方向共有16个单元结构。第Ⅱ层左侧超表面和第Ⅱ层右侧超表面由2个第①单元结构和6个第②单元结构分别沿X轴正方向和沿X轴负方向周期性排列的单元结构组成。其中，X轴方向共有32个单元结构，Y轴方向共有16个单元结构。
所述第Ⅰ层超表面、第Ⅱ层超表面和第Ⅲ层超表面单元结构数据以及单元结构排列情况如下表1所示：
如图4为实施例消色差超表面单元结构俯视图。
本发明中将设计好的单元结构按照消色差公式进行排列，同时调控在0.375THz～0.75THz宽带频率下的相位梯度与线性色散，在0.375THz～0.75THz频率范围内实现对物体的隐身。
如图5为实施例消色差超表面单元结构线性色散示意图。
如图6为实施例消色差超表面单元结构在0.375THz和0.75THz频率下的相位梯度示意图。
如图7为实施例0.375THz的平面波通过第Ⅰ层超表面、第Ⅱ层左侧超表面、第Ⅱ层右侧超表面和第Ⅲ层超表面的电场图(标度尺表示电场能量的分布)。
如图8为实施例0.75THz的平面波通过第Ⅰ层超表面、第Ⅱ层左侧超表面、第Ⅱ层右侧超表面和第Ⅲ层超表面的电场图(标度尺表示电场能量的分布)。
如图9为实施例0.375THz的平面波通过第Ⅰ层超表面、第Ⅱ层左侧超表面、第Ⅱ层右侧超表面和第Ⅲ层超表面的远场图。
如图10为实施例0.75THz的平面波通过第Ⅰ层超表面、第Ⅱ层左侧超表面、第Ⅱ层右侧超表面和第Ⅲ层超表面的远场图。
如图11为实施例分别在0.375THz和0.75THz频率下裸露障碍物的近场分布图(标度尺表示电场能量的分布)。
如图12为实施例分别在0.375THz和0.75THz频率下裸露障碍物覆盖超表面隐身器件的近场分布图(标度尺表示电场能量的分布)。
如图13为实施例分别在0.375THz和0.75THz频率下裸露障碍物的远场分布图。
如图14为实施例分别在0.375THz和0.75THz频率下裸露障碍物覆盖超表面隐身器件的远场分布图。
在本发明中实现了在0.375THz～0.75THz频率下对相位梯度与线性色散的同时调控，使得光束传播的方向是恒定的，不会随着光束频率的不同而改变，从而减小了色差对超表面的影响，获得了消色差的功能；整体结构简单，制作成本低，有利于广泛应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于消色差的多层框架结构的斜入射超表面隐身器，其特征在于，所述斜入射超表面隐身器由框架区与隐身层组成；
所述框架区为菱形框架所组成的空间；
所述隐身层从下到上分别定义为第Ⅰ层超表面，第Ⅱ层超表面和第Ⅲ层超表面；
所述第Ⅰ层超表面位于菱形框架的左侧且与菱形框架的下棱相切，所述第Ⅱ层超表面位于菱形框架的两侧且与菱形框架的侧棱相切，第Ⅲ层超表面位于菱形框架的右侧且与菱形框架的上棱相切；
所述超表面包括第①单元结构和第②单元结构；
所述第Ⅰ层超表面的结构与所述第Ⅲ层超表面的结构相同；
定义所述菱形框架的中心为原点，Y轴与菱形框架的中心轴重合，X轴与隐身层平行，Z轴与隐身层垂直；
所述第Ⅰ层超表面和第Ⅱ层右侧超表面将不同频率斜入射的平面波改变相同的角度分别入射到第Ⅱ层左侧超表面和第Ⅲ层超表面上，所述第Ⅱ层左侧超表面和第Ⅲ层超表面将入射波偏转相同角度出射，使平面波围绕菱形框架传输而不发生散射。
2.根据权利要求1所述的一种基于消色差的多层框架结构的斜入射超表面隐身器，其特征在于，所述单元结构在平行于隐身层的方向上相位梯度dφ/dx等于
线性色散dφ/df等于
其中，φ为单元结构的透射相位，χ为单元结构与原点的水平距离，f为入射波频率，C为真空中的光速，θi为入射角，θt为折射角。
3.根据权利要求1所述的一种基于消色差的多层框架结构的斜入射超表面隐身器，其特征在于，所述单元结构由硅材料构成；
所述第①单元结构包括基底和第一柱体；
所述基底长为100微米，宽为100微米，高为80微米；
所述第一柱体长为0-100微米，宽为100微米，高为200微米；
两个第一柱体平行放置在基底上，间距为0-20微米。
所述第②单元结构长为100微米，宽为100微米，高为100-300微米。
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| 褚宏晨;赖耘;: "基于超表面的超薄隐身器件", 红外与激光工程, no. 09 * |
| 詹世革;白坤朝;曹东兴;王刚;: "2018年度力学科学处面上项目、青年科学基金和地区科学基金资助情况介绍", 力学学报, no. 05 * |
| 陈昊;黄兴军;陈志新;: "基于超表面的电磁波调控隐身技术研究进展", 兵工自动化, no. 08 * |
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| Publication number | Publication date |
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| CN114721072B (zh) | 2024-01-02 |
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