一種基于多層納米流體的二維環形可調控光學隱身斗篷的制作方法

本發明涉及一種基于多層納米流體的二維環形可調控光學隱身斗篷的實現方法和裝置，可應用于光場控制領域。

背景技術：

2006年，文獻1：“j.b.pendryetal,science,2006(312):1780”首次提出利用異向介質能夠操控光波的傳播方向，實現光學隱身衣概念，引起了人們的廣泛關注，成為光學領域的研究熱點。同年，文獻2：“d.schurigetal,science,2006(314):977”在微波段首次實驗驗證了橫電波二維超材料隱身斗篷。2007年，文獻3：“caietal,naturephotonics,2007(1):224”提出了橫磁波二維超材料隱身斗篷。2010年，文獻4：“maetal,naturecommunications,2010(1):124”提出了基于介質板的二維孔陣列實現了電磁波的隱身效果。但是，目前二維光學隱身結構的設計，還不具備可調諧的功能(即光學隱身的開/關功能)，換句話說光學隱身斗篷的結構一旦確定以后其隱身性能將會一直存在是不能改變的，其主要原因是缺乏介電常數和磁導率系數可以被主動實時調控的天然材料，這直接制約著光學隱身技術的進一步發展。因此需要設計一種簡單實用的方法對光學隱身斗篷的光學隱身功能進行調諧，他將對光學隱身斗篷的實際應用具有非常重要的意義，大大推進其實用化進程。

納米流體在外界光、熱、電、磁、氣壓或應力的作用下，其介電常數和磁導率會發生可逆性改變。

本發明提供一種基于多層納米流體的二維可調控光學隱身斗篷。該二維可調控光學隱身斗篷是將納米流體環層以x-y水平面中心為軸，在x、y軸線方向逐層延拓形成，通過控制不同環層中納米流體的納米顆粒特性(粒度/粒度分布及形貌)、流體的結構(顆粒體積分數和分散穩定性)以及納米顆粒的化學組成，可以使每層對應不同的介電常數和磁導率，獲得光學隱身所需的二維介電常數和磁導率分布，進而使光線繞過斗篷區域后，光場恢復原來的分布，實現光學隱身功能，為處在光學隱身斗篷中心的物體屏蔽掉外界光線干擾，同時不影響外界光場分布。同時，通過循環控制每個環層中納米流體的介電常數和磁導率，實現光學隱身斗篷的實時開/關性能，從而克服了二維光學隱身斗篷不能開關的缺點。本發明基于納米流體的介電常數和磁導率可控原理，可以有效節省能量，延長偽裝時間；在實現上，采用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了光學隱身斗篷的復雜度和成本，實際應用潛力大。使用本發明技術，可以使光學隱身斗篷在大多數時間內處于關閉狀態(即不隱身)，使對方探測到一些無效光學信息，而在需要的時候開啟隱身功能讓對方探測不到其光學信號，有效隱藏各種重要信息，麻痹敵方，使我方行動具有突然性。該技術在實現光幻想、迷惑紅外光學檢測器、和在軍事和民用等光學隱身設備中具有巨大應用價值。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：克服現有二維光學隱身斗篷的隱身功能不具備可調諧性(即不能開/關光隱身功能)的缺點，利用納米流體這一常見材料，提供一種實現可調控(可開/關)二維光學隱身斗篷的新技術，使得系統具備結構簡單、速度快、便于操作、能耗小、實時性強和實現成本低等優點。

本發明的技術方案：

一種基于多層納米流體的二維環形可調控光學隱身斗篷，包括襯底層、間隔環層、納米流體環層、納米流體環層上方的金屬薄層蓋片、控制單元和供能單元；該二維環形可調控光學隱身斗篷將納米流體環層以x-y水平面中心為軸，在x、y軸線方向逐層周期延拓形成；每個納米流體環層上方均蓋有金屬薄層蓋片，每個納米流體環層之間均有間隔環層隔離；襯底層刻有多層環形槽，用于承載納米流體，實現納米流體環層，被隱藏的目標置于二維多層納米流體環層的中心位置；金屬薄層蓋片表面連接導線，導線另一端依次經過控制單元和供能單元接地，通過操控控制單元，調控供能單元對每層納米流體環層的作用時間，進而控制不同納米流體環層中納米顆粒特性(粒度/粒度分布及形貌)、流體的結構(顆粒體積分數和分散穩定性)以及納米顆粒的化學組成，使每層納米流體環層對應不同的介電常數和磁導率，實現光學隱身所需的二維介電常數和磁導率分布，進而使光線繞過二維斗篷區域后，光場恢復原來分布，實現光學隱身功能。

所述的納米流體環層的形狀是圓環、橢圓環、正方環、矩形環或六邊環，每個納米流體環層獨立控制和工作；所述的納米流體環層中的納米流體是通過溶質溶于溶液形成，其中，溶質包括金屬氧化物和金屬氮化物如氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅、氧化銅、氧化鐵、氧化銀和氮化鋁等，金屬如金、銀、銅、鐵、鋁等，其他介質如半導體材料、碳納米管、金剛石和陶瓷顆粒等；溶液包括水、酒精和油類等。納米流體環層的寬度為1μm～10cm、深度為20nm～10cm。

所述的金屬薄層蓋片是al片、ag片、au片、cu片或ni片，其寬度為1μm～10cm、厚度為20nm～10cm。

所述的間隔環層的材質是硅酸鈣、多元醇/多異氰酸酯、硬質聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃、in2o3、sno2或ito，其寬度為1μm～10cm、深度為20nm～10cm。

所述的襯底層是聚亞胺、塑料、bk7光學玻璃，sio2、si3n4或al2o3；

所述的控制單元是電控、光控、聲控或磁控開關；所述的供能單元是電能、熱能、光能、真空壓強或核能；

所述的多層納米流體環層通過材料生長工藝實現，包括電子束蒸發、金屬有機化合物化學氣相沉淀、氣相外延生長和分子束外延方法。

本發明的有益效果：本發明基于納米流體的介電常數和磁導率系數可調控原理，可以有效節省能量，延長偽裝時間；在實現上，采用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了光學隱身斗篷的復雜度和成本，實際應用潛力大。該技術在實現光幻想、迷惑紅外光學檢測器、和在軍事和民用等光學隱身設備中具有巨大應用價值。

本發明提供一種基于多層納米流體環層的可調控二維光學隱身斗篷，可以通過外加電、熱、光、真空壓強或磁場改變納米流體這一常見材料的介電常數和磁導率分布，提供一種實現可調控(可開/關)二維光學隱身斗篷的新技術，使得系統具備結構簡單、速度快、便于操作、能耗小、實時性強和實現成本低等優點。

附圖說明

圖1(a)為本發明提供的一種基于n層納米流體的二維可調控光學隱身斗篷切面圖(n≥1)。

圖1(b)為本發明提供的一種基于n層納米流體的二維可調控光學隱身斗篷俯視圖(n≥1)。

圖2(a)為襯底層示意圖。

圖2(b)為n層納米流體環層(n≥1)示意圖。

圖2(c)為加金屬薄層蓋片的n層納米流體環層(n≥1)示意圖。

圖2(d)為二維可調控光學隱身斗篷示意圖。

圖3(a)為本發明提供的一種基于n層納米流體的二維可調控光學隱身斗篷在光學隱身功能開設狀態下(即納米流體處于不同介電常數和磁導率時)的光場分布情況(n≥1)。

圖3(b)為本發明提供的一種基于n層納米流體的二維可調控光學隱身斗篷在光學隱身功能關閉狀態下(即納米流體處于不同介電常數和磁導率時)的光場分布情況(n≥1)。

圖中：1襯底層；2n層納米流體環層(n≥1)；3納米流體環層；

4金屬薄層蓋片；5間隔環層；6隱身區域；7導線；8控制單元；

9供能單元；10地線。

具體實施方式

為使得本發明的技術方案的內容更加清晰，以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式。其中的材料生長技術包括：電子束蒸發，金屬有機化合物化學氣相沉淀，氣相外延生長，和分子束外延技術等常用技術。其中的掩模工藝包括電子束曝光和聚焦離子束曝光等常用技術。其中的刻蝕工藝包括濕法刻蝕和干法刻蝕，如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應離子束刻蝕等常用工藝。

實施例1

首先，通過材料生長工藝和掩模工藝，將設計好的多層環溝道刻蝕在襯底1上(附圖2(a))，即以x-y水平面中心為軸由內至外在x、y軸線方向逐層周期延拓形成，再在對應的環形溝道內交替注入納米流體層3和間隔層5，實現n層納米流體環層(n≥1)2(附圖2(b))，金屬薄片4蓋在n層納米流體環層(n≥1)2的上表面，用于封裝納米流體和導入外界激勵(附圖2(c))，每個金屬蓋片4上表面都聯有導線7，導線7的另一端經過控制單元8和供能單元9接地線10(附圖2(d))。

其中，納米流體環層的設計可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。

通過操控控制單元8，可以調控供能單元9對每層納米流體環層的作用時間，進而控制不同環層中納米流體的納米顆粒特性(粒度/粒度分布及形貌)、流體的結構(顆粒體積分數和分散穩定性)以及納米顆粒的化學組成，可以使每層納米流體環層對應不同的介電常數和磁導率，實現隱身所需的二維介電常數和磁導率系數分布，進而使光線繞過斗篷區域后，光場恢復原來的分布，實現光學隱身功能。最終實現一種基于多層納米流體環層的可調控二維光學隱身斗篷。

如圖3所示，當一種基于多層納米流體環層的可調控二維光學隱身斗篷中的納米流體發生納米顆粒特性(粒度/粒度分布及形貌)、流體的結構(顆粒體積分數和分散穩定性)以及納米顆粒的化學組成的變化，其介電常數和磁導率系數分布也會發生改變，進而實現光傳播方向的調控，包括開啟光學隱身功能：即為處在光學隱身斗篷中心的物體屏蔽掉外界光場干擾，同時不影響外界光場分布，不被外界所探測，即光通過該隱身斗篷后不改變其場分布(如圖3(a)所示)；關閉光學隱身功能：即光通過該光學隱身斗篷后其光場分布發生改變，導致光學隱身斗篷中心處所放的物體可以被外界所探測(如圖3(b)所示)。

以上所述是本發明應用的技術原理和具體實例，依據本發明的構想所做的等效變換，只要其所運用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明的范圍內，特此說明。