CN216013858U - 一种可用于单向光学隐身的多层电介质结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可用于单向光学隐身的多层电介质结构，属于光学隐身器件技术领域。多层电介质结构包括两个呈宇称‑时间对称分布的Thue‑Morse(图厄‑摩尔斯，T‑M)序列，T‑M序列S_N的迭代规则为：S₁＝A，N＝1；S₂＝AB，N＝2；S_N＝S_N‑1(A→AB，B→BA)，N≥3，其中S_N‑1中的A→AB表示A由AB代替，B→BA表示B由BA代替，N表示序列的序号，S_N表示序列的第N项；A为第一电介质层；B为第二电介质层；第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不等的均匀电介质薄片，当某波长值的入射光从一侧入射，通过多层电介质结构反射后的反射光强为零，而该波长的光波从另一侧入射时，反射光强不为零，从而实现该波长值的入射光的单向隐身；改变增益‑损耗因子可实现对隐身波长的调控。

Description

一种可用于单向光学隐身的多层电介质结构

技术领域

本实用新型属于光学隐身器件技术领域，涉及一种可用于单向光学隐身的多层电介质结构。

背景技术

当电磁波遇到物体时，物体会对电磁波反射或散射。如果要物体电磁波的反射率为零，则无法通过反射观测到物体，即该物体对电场是光学隐身的。光学隐身在飞机和潜艇等方面有着非常广泛地应用，如雷达系统就是通过探测物体的反射光来发现目标。要实现对物体的光学隐身，就需要设计巧妙的光学结构，使电磁波被目标完全吸收或透射，从而实现零反射光强。

近年来，超构材料的研究为光学隐身的发展带来新的发展方向。在超构材料中，把反射体与人工原子组合在一起，使之与电磁波相互作用，从而实现低反射率。但超构材料只能与特定波长的光波相互作用。因此，当波长改变后，隐身的效果就会大打折扣。这就需要寻找一种光学隐身结构来实现对连续多波长、宽频率范围的光学隐身，且能对隐身波长进行灵活地调控。

研究表明，宇称-时间(parity–time，PT)对称结构中正、反向入射的光波有相同的透射特性，但其反射谱不重合，即反射性是非互易的。这种效应可被用于对特定波长的光学定向隐身。另外，PT对称结构的光子晶体，其电介质厚度一般设置为1/4光学波长，它与中心波长成正比，因此，在透射谱和反射谱中，缺陷模的位置是中心频率的函数，即当把PT对称的光子晶体应用于光学隐身时，其隐身波长可以通过中心波长来灵活地调控。

PT对称系统是一种特殊的非厄米结构，当组成PT光学系统的电介质中存在增益或损耗(或二者同时存在)时，系统与外界存在能量交换。PT对称的光学系统可以增强透射模的共振性，且不同方向入射的透射率极大值点和反射率的极小值点不重合。PT对称结构中的电介质复折射率可表示为n＝n_r±iq，其中n_r为折射率的实部，iq折射率的虚部，q为增益-损耗因子，i为虚数单位。各层电介质的折射率在空间上满足条件n(z)＝n*(–z)，其中*表示复共轭，z为位置坐标。

另外，相比周期性光子晶体，非周期光子晶体具有天然的缺陷腔；而相比准周期性光子晶体，非周期光子晶体的缺陷腔和缺陷模更多，且缺陷模对电场的局域性更强。因此，可以调制非周期光子晶体中的折射率，使其满足PT对称性，从而实现对特定波长的单向光学隐身，再通过控制中心波长，来设置电介质的厚度，进而实现对隐身波长的调制，另外，隐身波长还可以通知电介质中的增益-损耗因子灵活调控。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种可用于单向光学隐身的多层电介质结构，本实用新型所要解决的技术问题是如何实现单向入射光的隐身。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种可用于单向光学隐身的多层电介质结构，其特征在于，所述多层电介质结构包括两个呈宇称-时间对称分布的Thue-Morse(图厄-摩尔斯，T-M)序列，所述T-M序列S_N的迭代规则为：S₁＝A，N＝1；S₂＝AB，N＝2；S_N＝S_N-1(A→AB，B→BA)，N≥3，其中S_N-1中的A→AB表示A由AB代替，B→BA表示B由BA代替，N表示序列的序号，S_N表示序列的第N项；A为第一电介质层；B为第二电介质层；第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不等的均匀电介质薄片；

位于多层电介质结构对称中心一侧的第一电介质层称之为第一损耗电介质层，通光状态下的折射率表示为n_a；位于多层电介质结构对称中心另一侧的第一电介质层称之为第一增益电介质层，通光状态下的折射率表示为n_a'；与第一增益电介质层同侧的第二电介质层称之为第二增益电介质层，通光状态下的折射率表示为n_b；与第一损耗电介质层同侧的第二电介质层称之为第二损耗电介质层，通光状态下的折射率表示为n_b'；

n_a＝n_A+0.01qi，n_a'＝n_A-0.01qi，n_b＝n_B-0.01qi，n_b'＝n_B+0.01qi，

其中i为虚数单位，q为增益-损耗因子，n_A为第一电介质层折射率的实部，n_B为第二电介质层折射率的实部；第一电介质层和第二电介质层的厚度均为各自折射率对应的1/4光学波长；损耗可以通过掺杂铁离子等金属离子来实现，增益通过非线性二波混频得到，入射光为横磁波，从多层电介质结构的任一侧垂直入射；

当某波长值的入射光通过多层电介质结构反射后的反射光强为零时，实现该波长值的入射光的单向隐身；可改变增益-损耗因子实现对可隐身入射光的波长调整。

进一步的，所述第一电介质层为二氧化硅，所述第二电介质层为硅。

将两种折射率不同的电介质薄片按照T-M序列依次堆叠，保证各层电介质折射率的实部关于原点偶对称，而虚部关于原点奇对称，形成关于原点PT对称的多层电介质。结构的PT对称性导致正、反向入射光波的反射非互易性，即当光波分别从正、反向垂直入射到多层电介质上时，对特定的入射波长，从一端垂直入射时反射率为0，而从另一端垂直入射时的反射率不为0，即多层结构呈现出对特定波长的单向光学隐身特性。隐身波长还可以通过电介质折射率的增益-损耗因子灵活调控。因此，该结构可被用作光学隐身器件。

本实用新型选用的是PT对称的T-M序列的多层电介质这种非周期结构。在数学上，T-M序列是一种非周期序列，而T-M多层电介质结构是将两种电介质薄片按T-M序列规则排列，同时引入增益-损耗因子，调控各电介质层的折射率虚部，使其满足PT对称性。利用其对光波反射的非互易性，得到正向、反向互重合的零反射光波，实现对特定波长的单向光学隐身。

附图说明

图1中(a)图是N＝4的PT对称T-M序列多层电介质在正向入射时的示意图；图1中(b)图是N＝4的PT对称T-M序列多层电介质在反向入射时的示意图。

图2是增益-损耗因子q＝3时图1两种情况下的透射谱和反射谱。

图3中的(a)是正向入射光对应的反射谱R_f随增益-损耗因子变化的情况；图3中的(b)是反向入射光对应的反射谱R_b随增益-损耗因子变化的情况。

图4中(a)是正向入射光对应的反射率；图4中(b)反向入射光对应的反射率；图4中(c)正、反向入射时反射率零点随增益-损耗因子的变化关系。

图5中(a)是反向反射率为0时，波长对应的正向反射率随增益-损耗因子的变化关系。图5中(b)是正向反射率零点为0时，波长对应的反向反射率随增益-损耗因子的变化关系。

图中，A、第一增益电介质层；A'、第一损耗电介质层；B、第二增益电介质层；B’、第二损耗电介质层。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

符号S_N表示序号为N(N＝1,2,3，……)的Thue-Morse序列，TM_N表示遵循相应S_N排列的PT对称光子多层结构。S_N中包含A、B两种折射率不同的均匀电介质。数学上，T-M序列的迭代规则为：当N＝1时，S₁＝A；当N＝2时，S₂＝AB；当N≥3时，S_N＝S_N-1(A—>AB,B—>BA)，其中符号“—>”表示将S_N-1中的A和B分别用AB和BA代替，形成S_N。由此可以得到S₂＝AB，S₃＝ABBA,S₄＝ABBABAAB，……。将两个序号相同T-M序列复合形成PT对称光子晶体：TM_N＝S_NS'_N，其中S'_N与S_N关于原点呈PT对称，可得TM₂＝ABB'A'，TM₃＝ABBAA'B'B'A',TM₄＝ABBABAABB'A'A'B'A'B'B'A'，……。

如图1给出了由两个S₄复合而成的PT对称的TM₄电介质多层结构。此结构也可以表示成TM₄＝ABBABAABB'A'A'B'A'B'B'A'。其中，A和A'基质均为二氧化硅，折射率分别为n_a＝3.53+0.01qi，n_a'＝3.53-0.01qi；B和B'基质均为硅，折射率分别为n_b＝1.46-0.01qi，n_b'＝1.46+0.01qi。虚部中q为引入的增益-损耗因子，表示增益或损耗。当虚部为正时，表示引入损耗，当虚部为负时，表示引入增益。损耗可以通过掺杂铁离子等金属离子来实现，增益通过非线性二波混频得到。这两种电介质厚度均为1/4光学波长，即A和A'厚度为0.1098μm(μm表示微米)，B和B'为0.2654μm。

入射光为横磁波，垂直入射进入多层电介质。PT对称光学系统中，正、反方向的相同入射产生的透射谱相同，故用相同的符号(I_t)表示透射光线，而反射光谱不同(I_rf和I_rb)，故用不同的符号分别表示正、反入射的反射光线。在如图1(a)中，光波从正向垂直入射，符号I_if表示正向入射光，I_rf表示正向入射时反射光，I_t表示透射光。图1(b)中，光波从反向垂直入射，符号I_ib表示反向入射光，I_rb表示正向入射时的反射光，I_t表示透射光。

图2为给定增益-损耗因子q＝3的情况下，横磁波分别从正、反两个方向垂直入射时得到的反射谱R_f和R_b，以及从任一方向垂直入射的透射谱T。横坐标(ω-ω₀)/ω_gap表示归一化角频率，对应着光的入射波长的变化，其中ω＝2πc/λ、ω₀＝2πc/λ₀和ω_gap＝4ω₀arcsin│[Re(n_a)-Re(n_b)]/[Re(n_a)+Re(n_b)]|²/π分别表示入射光角频率、入射光中心角频率和角频率带隙，c为真空中光速，arcsin为求反正弦函数。可以看到，正、反向入射对应的透射谱T是重合的，而反射谱R_f和R_b不重合。图中①处的归一化频率为ω_b0＝-0.1012，即对应的输入光波长为λ＝1.6405μm时，反向输入光I_ib产生的反射率R_b＝0，透射率T＝1.052；而正向输入光I_if产生的反射率R_f＝0.702，透射率T＝0.953。这说明：当波长为λ＝1.6405μm的横磁波反向垂直入射时，反射光强为零，无反射传输，此时结构对反向输入波长λ＝1.6405μm的光波是隐身的；而该波长的光从正向垂直入射时，反射光强不为零，是可视的，即出现对该波长的反方向光学隐身现象。特定波长光正向入射时，反射率为零，而反向入射时，反射不为零，这种效应可以被用作单向光学隐身。

同样地，另一些特定波长光反向入射时，反射率为零，而正向入射时，反射不为零。图中②处的归一化频率为ω_f0＝-0.0787，对应的波长为1.6195μm，I_if产生的反射率R_f＝0，而I_ib产生的反射率R_b＝0.496，即正向入射光波λ＝1.6195μm的反射率为0，而反向入射该光波的反射率不为0，出现对该波长的正方向光学隐身现象。

因此，增益-损耗因子取q＝3时，此多层电介质可被用作实现特定波长1.6405μm的反向光学隐身器件和波长1.6195μm的正向光学隐身器件。

图3给出了PT对称的T-M序列多层电介质取不同增益-损耗因子时，入射光中心频率附近的正、反向反射率。为了更好地观察，这里对反射率都取对数，各反射谱反射率为0的位置与图中波谷相对应。在图3(a)中可以看到，当q增大时，正向入射光对应的零反射率(波谷)位置归一化频率变为负值，且逐渐减小而远离ω₀。计算得到q＝0，3和6时对应的归一化频率分别为0，-0.0032和-0.0168。相应地，随着增益-损耗因子的增大，正向入射的零反射率波长会发生蓝移。这就说明可以通过增益-损耗因子调控正入射隐身光波的波长。在图3(b)中，反向入射光对应的零反射率(波谷)的归一化频率同样为负值，且也会随q增大而远离ω₀，对应的波长蓝移。可以明显地看到，q的增幅相同时，R_f零反射率与R_b相比的蓝移幅度稍大。可见，当需要隐身的入射光波长发生改变时，无需更换器件，只需要调整电介质的增益-损耗因子，使零反射率点在反射谱上的位置处于此波长所对应的归一化频率即可。

当光波正向垂直入射时，图4(a)给出的是参数空间的反射率。为了便于观察，这里对反射率取对数log₁₀(R_f)。参数空间由增益-损耗因子q和归一化频率组成。可以看到，随着增益-损耗因子的增大，0反射点形成一条亮度较高的轨迹线，且0反射点的轨迹线R_f0向右呈较大幅度的偏转。当光波反向入射时，在图3(b)的参数空间给出的反射率中，也存在一条亮度较高的0反射轨迹线。随着增益-损耗因子的增大，而0反射点的轨迹线R_b0向左偏转，偏转幅度与R_f0相比稍小。这与图3中反射率随增益-损耗因子的增大而逐渐远离ω₀的现象是一致的。图3(c)给出的是正、反向入射光波分别对应的反射点随增益-损耗因子的变化关系。可以看到，随着增益-损耗因子的增加，由于正、反向入射光波产生的两条0反射点轨迹线R_f0和R_b0的偏转幅度不同，它们从相同的反射率0点(ω＝ω₀，q＝0)开始分裂，且增益-损耗因子越大，参数空间中的0反射点分裂得越开。这表明，PT对称系统中的增益-损耗因子越大，正、反向反射率的非互易性越显著，实现单向光学隐身的效果越好。

为了进一步证实增益-损耗因子对单向隐身效果的调制作用，图5给出了一端入射光线垂直入射时，正向反射率(R_f)和反向反射率(R_b)随增益-损耗因子的变化关系。图5(a)中，当光从反向垂直入射时，在参数空间中存在一些列的零反射R_b＝0的点，记为[q，(ω_q-ω₀)/ω_gap]。每一个固定的增益-损耗因子q值，对应着一个固定的右反射率为零的归一化频率点，该点对应着一个特定的波长，于是零反射点也可以记为[q，λ_q]。改变q，零反射点移动，零反射点对应的波长改变。当光波以这些零反射点对应的波长λ_q反向入射时，R_b＝0，因此，无法感受到光子多层的存在，光子多层对光波是隐身的。但是，将光波从左边垂直入射，此时的光波反射率不为零。R_f随着增益-损耗因子的增大而增大，因此，人们是可以感知到器件存在的，形成单向(反向)隐身的效果。

同样地，当光波以对正向入射光波隐身(R_f＝0)的波长从反向入射时，图5(b)给出的是R_b对增益-损耗因子的变化关系。R_b随增益-损耗增益的增大而增大，即R_f＝0而R_b≠0，发生单向(正向)隐身现象。但是，右反射比左反射小一个量级。特定波长光从左边入射时，反射率为零，而从右边入射时，反射不为零；同样地，另一些特定波长光从右边入射时，反射率为零，而从左边入射时，反射不为零。这种效应可以被用作光学定向隐身。

总之，光波正、反向垂直入射进入PT对称的T-M序列多层电介质中，分别可以得到一系列反射率零点。这些反射率零点对应着不同的增益-损耗因子和波长。光线从一端入射反射率为0时，改变光波的入射方向，则反射率不为零。而且，随着增益-损耗增益的增大，正、反入射的两条反射零点轨迹分裂得越开，即反射率非互易现象越明显，单向隐身效果越好。该效应可被用于单向光学隐身，隐身波长可以通过中心波长和增益-损耗因子灵活地调控。

可实施方式：

(1)材料选取。选取电介质A、A'、B和B'，其中A和A'的衬底为二氧化硅，B和B'的衬底为硅，它们的折射率均为复值，分别为3.53+0.01qi，1.46-0.01qi，3.53-0.01qi和1.46+0.01qi，其中q为增益-损耗因子，损耗通过掺杂金属离子得到，增益通过非线性二波混频引入。

(2)结构设计。将上述电介质按照两个S₄的T-M序列依次堆叠，再调制电介质折射率，使其在空间上满足n(z)＝n*(-z)，符合PT对称结构，该PT对称多层电介质可记为TM₄＝ABBABAABB'A'A'B'A'B'B'A'(如图1)。

(3)实现特定波长的单向(反向)光学隐身。选取输入光线为横磁波，增益-损耗因子设为q＝3。按图1(a)、(b)所示，光线分别从正(I_if)、反(I_ib)两个方向垂直入射至多层电介质。选取波长为λ＝1.6405μm的横磁波反向垂直入射进多层电介质；反射光强为零，结构对光是隐身的；而改为正向垂直入射时，反射光强不为零，反射率R_f＝0.702，无隐身效果，即产生单向(反向)光学隐身现象。

(4)实现特定波长的单向(正向)光学隐身。选取输入光线为横磁波，增益-损耗因子设为q＝3。按图1(a)、(b)所示，光线分别从正(I_if)、反(I_ib)两个方向垂直入射至多层电介质。选取波长为λ＝1.6195μm的横磁波正向垂直入射进多层电介质；反射光强为零，结构对光是隐身的；而改为反向垂直入射时，反射光强不为零，反射率R_b＝0.496，无隐身效果，即产生单向(正向)光学隐身现象。

(5)改变增益-损耗因子实现对不同波长的单向光学隐身。当增益-损耗因子(如图3)增大时，正、反向入射光对应的零反射率(波谷)位置逐渐远离ω₀，所对应的归一化频率均为负值，且R_f受增益-损耗因子的影响比R_b更大。这表明，可以在不更换器件的情况下，通过调整增益-损耗因子使器件的零反射率(波谷)适应不同长度的波长，实现单向光学隐身。

利用增益-损耗因子调控单向光学隐身效果。正、反向入射光波从相同的反射率0点(ω＝ω₀，q＝0)开始分裂，增大增益-损耗因子，参数空间中的0反射点分裂得越开(图4)。将入射光波长固定为λ＝1.6405μm，增大增益-损耗因子，当q在3到15之间连续变化时，反向入射的反射率R_b始终R_f比小1～2个量级，维持在0附近，可以实现较好的隐身效果。而光波正向入射时，随着q增大，其反射率R_f在(0.702，8.033)区间内变化，始终不为0(图5)，无隐身效果。当q＝10.6时，R_b＝0，R_f＝8.033，多层电介质对反向入射光波是隐身的，正向反射光为最大值，单向(反向)隐身效果最好。可见，对于特定波长的入射光，此多层电介质可以在实现对反向输入光隐身的同时，还可以通过增大增益-损耗因子，调整正向输入光的反射率，灵活地控制单向(反向)光学隐身的效果。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种可用于单向光学隐身的多层电介质结构，其特征在于，所述多层电介质结构包括两个呈宇称-时间对称分布的Thue-Morse序列，所述Thue-Morse序列S_N的迭代规则为：S₁＝A，N＝1；S₂＝AB，N＝2；S_N＝S_N-1(A→AB，B→BA)，N≥3，其中S_N-1中的A→AB表示A由AB代替，B→BA表示B由BA代替，N表示序列的序号，S_N表示序列的第N项；A为第一电介质层；B为第二电介质层；其中下标N为序列的序数，第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不等的均匀电介质薄片；

位于多层电介质结构对称中心一侧的第一电介质层称之为第一损耗电介质层，通光状态下的折射率表示为n_a；位于多层电介质结构对称中心另一侧的第一电介质层称之为第一增益电介质层，通光状态下的折射率表示为n_a'；与第一增益电介质层同侧的第二电介质层称之为第二增益电介质层，通光状态下的折射率表示为n_b；与第一损耗电介质层同侧的第二电介质层称之为第二损耗电介质层，通光状态下的折射率表示为n_b'；

n_a＝n_A+0.01qi，n_a'＝n_A-0.01qi，n_b＝n_B-0.01qi，n_b'＝n_B+0.01qi，其中i为虚数单位，q为增益-损耗因子，n_A为第一电介质层折射率的实部，n_B为第二电介质层折射率的实部；第一电介质层和第二电介质层的厚度均为各自折射率对应的1/4光学波长；损耗可以通过掺杂金属离子来实现，增益通过非线性二波混频得到，入射光为横磁波，从多层电介质结构的任一侧垂直入射；

当某波长值的入射光从一侧入射，通过多层电介质结构反射后的反射光强为零，而该波长的光波从另一侧入射时，反射光强不为零，从而实现该波长值的入射光的单向隐身；改变增益-损耗因子可实现对隐身波长的调控。

2.根据权利要求1所述一种可用于单向光学隐身的多层电介质结构，其特征在于，所述第一电介质层为二氧化硅，所述第二电介质层为硅。

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