本發(fā)明涉及一種基于多層二氧化釩的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷的實(shí)現(xiàn)方法和裝置，可應(yīng)用于光波傳播方向的控制。

背景技術(shù)：

2006年，文獻(xiàn)1：“j.b.pendryetal,science,2006(312):1780”首次提出利用異向介質(zhì)能夠操控光波的傳播方向，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身衣概念，引起了人們的廣泛關(guān)注，成為光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。同年，文獻(xiàn)2：“d.schurigetal,science,2006(314):977”在微波段首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了橫電波二維超材料隱身斗篷。2007年，文獻(xiàn)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(xiàn)4：“maetal,naturecommunications,2010(1):124”提出了基于介質(zhì)板的二維孔陣列實(shí)現(xiàn)了電磁波的隱身效果。但是，目前光學(xué)隱身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，大多基于二維平面結(jié)構(gòu)模型仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，三維光學(xué)隱身斗篷則鮮有報(bào)道。

另外，目前的光學(xué)隱身斗篷還不具備可調(diào)諧的功能(即光學(xué)隱身的開(kāi)/關(guān)功能)，換句話說(shuō)光學(xué)隱身斗篷的結(jié)構(gòu)一旦確定以后其隱身性能將會(huì)一直存在是不能改變的，其主要原因是缺乏介電常數(shù)和磁導(dǎo)率系數(shù)可以被主動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)控的天然材料，這直接制約著光學(xué)隱身技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此需要設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法對(duì)光學(xué)隱身斗篷的光學(xué)隱身功能進(jìn)行調(diào)諧，他將對(duì)光學(xué)隱身斗篷的實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的意義，大大推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程。

二氧化釩是目前研究得最多、最為成熟的相變材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高速存儲(chǔ)器中。二氧化釩具有單斜結(jié)構(gòu)的絕緣體態(tài)和四方結(jié)構(gòu)的金屬態(tài)兩種狀態(tài)，在外界光、熱、電、磁或者應(yīng)力的作用下，二氧化釩可以在絕緣體態(tài)和金屬態(tài)兩種狀態(tài)間改變，而伴隨著二氧化釩的狀態(tài)(晶格結(jié)構(gòu))改變，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生可逆性改變。

本發(fā)明提供一種基于多層二氧化釩的可調(diào)控光學(xué)隱身斗篷。該三維可調(diào)控光學(xué)隱身斗篷通過(guò)二氧化釩組成的表面覆蓋殼層實(shí)現(xiàn)。其中，表面覆蓋殼層為多個(gè)二氧化釩環(huán)層自下而上疊加構(gòu)成，通過(guò)控制不同環(huán)層中二氧化釩的晶格結(jié)構(gòu)，可以使每層對(duì)應(yīng)不同的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率系數(shù)，獲得光學(xué)隱身所需的三維介電常數(shù)和磁導(dǎo)率系數(shù)分布，進(jìn)而使光線繞過(guò)斗篷區(qū)域后，光場(chǎng)恢復(fù)原來(lái)的分布，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身功能。同時(shí)，通過(guò)循環(huán)控制每個(gè)環(huán)層中二氧化釩的單斜結(jié)構(gòu)的絕緣體態(tài)-四方結(jié)構(gòu)的金屬態(tài)的變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身斗篷的實(shí)時(shí)開(kāi)/關(guān)性能，從而克服了光學(xué)隱身斗篷不能開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)。本發(fā)明基于二氧化釩晶格結(jié)構(gòu)可控原理，可以有效節(jié)省能量，延長(zhǎng)偽裝時(shí)間；在實(shí)現(xiàn)上，采用電、光控開(kāi)關(guān)等廣泛使用的器件，顯著降低了光學(xué)隱身斗篷的復(fù)雜度和成本，實(shí)際應(yīng)用潛力大。使用本發(fā)明技術(shù)，可以使光學(xué)隱身斗篷在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)處于關(guān)閉狀態(tài)(即不隱身)，使對(duì)方探測(cè)到一些無(wú)效光學(xué)信息，而在需要的時(shí)候開(kāi)啟熱隱身功能讓對(duì)方探測(cè)不到其光學(xué)信號(hào)，有效隱藏各種重要信息，麻痹敵方，使我方行動(dòng)具有突然性。該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)光幻想、迷惑紅外光學(xué)檢測(cè)器、和在軍事和民用等光學(xué)隱身設(shè)備中具有巨大應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有光學(xué)隱身斗篷大多基于二維平面結(jié)構(gòu)、和光學(xué)隱身斗篷的隱身功能不具備可調(diào)諧性(即不能開(kāi)/關(guān)光隱身功能)的缺點(diǎn)，利用二氧化釩這一常見(jiàn)材料，提供一種實(shí)現(xiàn)可調(diào)控(可開(kāi)/關(guān))三維光學(xué)隱身斗篷的新技術(shù)，使得系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、便于操作、能耗小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和實(shí)現(xiàn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于多層二氧化釩的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷，包括襯底層、間隔層、二氧化釩環(huán)層組成的表面覆蓋環(huán)層、附于二氧化釩環(huán)層內(nèi)壁的金屬薄層貼片、內(nèi)部支撐殼、控制單元和供能單元；表面覆蓋環(huán)層為多層二氧化釩環(huán)層自下而上疊加構(gòu)成，每層二氧化釩環(huán)層內(nèi)壁表面均貼有金屬薄層貼片，每層二氧化釩環(huán)層之間均有間隔層隔離；內(nèi)部支撐殼處于多層二氧化釩環(huán)層內(nèi)側(cè)，用于承載多層二氧化釩環(huán)層，被隱藏的目標(biāo)置于內(nèi)部支撐殼的腔內(nèi)；內(nèi)部支撐殼與金屬薄層貼片接觸，同時(shí)內(nèi)部支撐殼對(duì)應(yīng)于每個(gè)金屬薄層貼片處都鉆有小孔，小孔孔徑為1μm～1cm、深度為1μm～10cm；小孔內(nèi)安裝導(dǎo)線，導(dǎo)線一端連接在金屬薄層貼片上，另一端依次經(jīng)過(guò)控制單元和供能單元接地，通過(guò)操控控制單元，調(diào)控供能單元對(duì)每層二氧化釩環(huán)層的加熱時(shí)間，進(jìn)而控制不同二氧化釩環(huán)層中二氧化釩的晶格結(jié)構(gòu)，即二氧化釩在單斜結(jié)構(gòu)的絕緣體態(tài)和四方結(jié)構(gòu)的金屬態(tài)之間轉(zhuǎn)換，使每層二氧化釩環(huán)層對(duì)應(yīng)不同的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率系數(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身所需的三維介電常數(shù)和磁導(dǎo)率系數(shù)分布，進(jìn)而使光線繞過(guò)斗篷區(qū)域后，光學(xué)場(chǎng)恢復(fù)原來(lái)的分布，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身功能。

所述的二氧化釩環(huán)層的釩形狀是半球體、圓錐體、余弦體、正弦體、圓柱體、半橢圓體、正方體、矩形體或六邊體，每層二氧化釩環(huán)層獨(dú)立控制和工作；二氧化釩環(huán)層的寬度為1μm～10cm、厚度為20nm～10cm。

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

所述的間隔層的材質(zhì)為硅酸鈣、多元醇/多異氰酸酯、硬質(zhì)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1nm～10cm、厚度為1nm～10cm。

所述的內(nèi)部支撐殼是聚亞胺、塑料、bk7光學(xué)玻璃，sio2、si3n4或al2o3；

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

所述的控制單元是電控、光控、聲控或磁控開(kāi)關(guān)；所述的供能單元是電能、熱能、光能、壓強(qiáng)或核能；

所述的多層二氧化釩結(jié)構(gòu)通過(guò)材料生長(zhǎng)工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束蒸發(fā)、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀、氣相外延生長(zhǎng)和分子束外延方法。

本發(fā)明基于二氧化釩晶格結(jié)構(gòu)可變?cè)恚梢杂行Ч?jié)省能量，延長(zhǎng)偽裝時(shí)間；在實(shí)現(xiàn)上，采用電、光控開(kāi)關(guān)等廣泛使用的器件，顯著降低了光學(xué)隱身斗篷的復(fù)雜度和成本，實(shí)際應(yīng)用潛力大。該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)光幻想、迷惑紅外光學(xué)檢測(cè)器、和在軍事和民用等光學(xué)隱身設(shè)備中具有巨大應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明提供一種基于多層二氧化釩的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷，可以通過(guò)外加電、熱、光或磁場(chǎng)對(duì)改變二氧化釩這一常見(jiàn)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率系數(shù)分布，提供一種實(shí)現(xiàn)可調(diào)控(可開(kāi)/關(guān))三維光學(xué)隱身斗篷的新技術(shù)，使得系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、便于操作、能耗小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和實(shí)現(xiàn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1(a)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)二氧化釩的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷切面圖。

圖1(b)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)二氧化釩的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷俯視圖。

圖2(a)為內(nèi)部支撐殼示意圖。

圖2(b)為n層二氧化釩環(huán)層表面覆蓋環(huán)層(n≥1)示意圖。

圖2(c)為可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷示意圖。

圖3(a)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)二氧化釩的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷在隱身功能開(kāi)設(shè)狀態(tài)下的光場(chǎng)分布情況。

圖3(b)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)二氧化釩的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷在隱身功能關(guān)閉狀態(tài)下的光場(chǎng)分布情況。

圖中：1襯底層；2n層二氧化釩環(huán)層表面覆蓋環(huán)層(n≥1)；3金屬薄層貼片；4間隔層；5內(nèi)部支撐殼；6隱身區(qū)域；7小孔；8導(dǎo)線；9控制單元；10供能單元；11地線。

具體實(shí)施方式

為使得本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容更加清晰，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。其中的材料生長(zhǎng)技術(shù)包括：電子束蒸發(fā)，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長(zhǎng)，和分子束外延技術(shù)等常用技術(shù)。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(shù)。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(yīng)離子束刻蝕等常用工藝。

實(shí)施例1

首先，利用材料生長(zhǎng)工藝在襯底1上形成內(nèi)部支撐殼5，如附圖2(a)所示；

然后，通過(guò)材料生長(zhǎng)工藝和掩模工藝，將設(shè)計(jì)好的二氧化釩環(huán)層在襯底1和內(nèi)部支撐殼5的外表面由下至上逐層疊加，實(shí)現(xiàn)n層二氧化釩表面覆蓋環(huán)層2，如附圖2(b)所示。其中，二氧化釩表面環(huán)層和內(nèi)部支撐殼的設(shè)計(jì)可以采用有限時(shí)域差分法、有限元法等算法。金屬薄層貼片3通過(guò)鍍膜工藝被加工在n層(n≥1)二氧化釩表面覆蓋環(huán)層2的內(nèi)環(huán)壁和內(nèi)部支撐殼5的外壁之間。

內(nèi)部支撐殼對(duì)應(yīng)于每個(gè)金屬薄層貼片3處，都鉆有小孔7。小孔內(nèi)安裝導(dǎo)線8，導(dǎo)線一端連接在金屬薄層貼片3上，另一端經(jīng)過(guò)控制單元9和供能單元10接地線11，通過(guò)操控控制單元9，可以調(diào)控供能單元10對(duì)每層二氧化釩的加熱時(shí)間，進(jìn)而控制不同環(huán)層中二氧化釩的晶格變化，可以使每層二氧化釩環(huán)層對(duì)應(yīng)不同的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率系數(shù)，實(shí)現(xiàn)光隱身所需的三維介電常數(shù)和磁導(dǎo)率系數(shù)分布，進(jìn)而使光線繞過(guò)斗篷區(qū)域后，光場(chǎng)恢復(fù)原來(lái)的分布，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身功能。最終實(shí)現(xiàn)一種基于多層二氧化釩的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷，如附圖2(c)所示。

如圖3所示，當(dāng)一種基于多層二氧化釩的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷中的二氧化釩的發(fā)生狀態(tài)變化，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率系數(shù)分布也會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光傳播方向的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身功能的“開(kāi)”即屏蔽外來(lái)的光使得內(nèi)部支撐殼5內(nèi)所隱藏物體不被外界所探測(cè),即光線通過(guò)該光學(xué)隱身斗篷后不改變其光場(chǎng)分布(如圖3(a)所示)和“關(guān)”即光通過(guò)該隱身斗篷后其光場(chǎng)分布發(fā)生改變，導(dǎo)致內(nèi)部支撐殼5內(nèi)所放物體可以被外界所探測(cè)(如圖3(b)所示)。

以上所述是本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實(shí)例，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想所做的等效變換，只要其所運(yùn)用的方案仍未超出說(shuō)明書(shū)和附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說(shuō)明。