本發(fā)明涉及電磁超構(gòu)材料，尤其是涉及一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面。

背景技術(shù)：

1、電磁超構(gòu)材料(metamaterial)是指本身具有超出自然材料本身物理特性的等效均勻復(fù)合材料。普通材料由分子或原子組成，與普通材料相比，超構(gòu)材料則由人為設(shè)計(jì)的諧振單元構(gòu)成，它是一種人工設(shè)計(jì)的周期結(jié)構(gòu)，能夠表現(xiàn)出自然界介質(zhì)所沒有的電磁特性，如負(fù)折射、逆契倫科夫輻射、逆多普勒效應(yīng)、完美透鏡、隱身斗篷等。

2、理論上，通過設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)可以使得和為任意值。它的原理是通過設(shè)計(jì)一個(gè)單元結(jié)構(gòu)來模擬普通材料中的分子，再將這種單元結(jié)構(gòu)以特定方式排列，單元之間產(chǎn)生的諧振能夠改變?nèi)肷洳ǖ臓顟B(tài)，因此材料整體能夠表現(xiàn)出一些奇特的電磁特性，甚至是一些自然界物質(zhì)所不具有的電磁特性，這也是“超”構(gòu)材料名字的由來。

3、超構(gòu)表面是超構(gòu)材料的二維對(duì)應(yīng)物，其厚度相對(duì)于周圍空間的波長(zhǎng)可以忽略不計(jì)。與超構(gòu)材料相比，超構(gòu)表面不需要復(fù)雜的三維制造技術(shù)，而且損耗也較少，成為了當(dāng)下的研究的熱點(diǎn)。

4、二氧化釩(vo2)作為一種熱控相變材料，在外部熱激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn)從介質(zhì)相到金屬相的相變轉(zhuǎn)換，相變過程中電導(dǎo)率發(fā)生5個(gè)數(shù)量級(jí)的巨大變化，其相變速率極快，僅為幾十飛秒。二氧化釩的相變溫度為355k，當(dāng)溫度高于相變溫度時(shí)，vo2將從絕緣態(tài)向金屬態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，同時(shí)伴隨著電導(dǎo)率的急劇上升。圖形化的vo2結(jié)合人工微結(jié)構(gòu)的復(fù)合設(shè)計(jì)可通過控制vo2的電導(dǎo)率調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)在太赫茲波下的諧振模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的幅度和相位調(diào)控。

5、連續(xù)域束縛態(tài)(bic)是一種特殊的光學(xué)束縛態(tài)，雖然它的頻率包含在連續(xù)譜范圍與輻射波共存，但是仍然保持完全封閉的狀態(tài)，能量完全被束縛在連續(xù)譜里面。因此，連續(xù)域束縛態(tài)可被認(rèn)為是一種沒有泄露的，品質(zhì)因子無窮大的諧振態(tài)。

6、實(shí)現(xiàn)光學(xué)bic主要有兩種方法，一種是基于對(duì)稱不相容原理誘導(dǎo)的輻射抑制，另一種是由于系統(tǒng)參數(shù)連續(xù)可調(diào)而導(dǎo)致與輻射連續(xù)譜的意外解耦。在實(shí)際應(yīng)用中，前者在實(shí)現(xiàn)連續(xù)域束縛態(tài)中被廣泛應(yīng)用，這類光學(xué)bic也被稱為受對(duì)稱性保護(hù)的bic，當(dāng)系統(tǒng)的對(duì)稱性被打破時(shí)，導(dǎo)致輻射泄漏，對(duì)稱保護(hù)的bic泄漏為準(zhǔn)bic(q-bic)，是一種具有有限品質(zhì)因子的共振態(tài)，與連續(xù)頻譜中的其他共振態(tài)相比，bic的高品質(zhì)因數(shù)使其在光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)實(shí)際器件的研制有著重大意義。

7、現(xiàn)有技術(shù)中，大多數(shù)的成像超構(gòu)表面仍難以實(shí)現(xiàn)圖像的動(dòng)態(tài)顯示，一旦超表面的結(jié)構(gòu)確定，就只能對(duì)應(yīng)靜態(tài)圖像，無法按照需求進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，極大的限制了束縛態(tài)超構(gòu)表面的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面，利用二氧化釩隨溫度改變，從介質(zhì)相到金屬相的相變轉(zhuǎn)換特性，同時(shí)運(yùn)用fpga對(duì)陣列結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元進(jìn)行單獨(dú)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)任意二維圖像的動(dòng)態(tài)顯示。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面，包括介質(zhì)襯底和設(shè)置于介質(zhì)襯底上表面的金屬陣列結(jié)構(gòu)，所述金屬陣列結(jié)構(gòu)包括陣列設(shè)置的金圖案層，所述金圖案層上嵌入設(shè)置有若干二氧化釩圖案層，所述金圖案層的幾何形狀為矩形、十字、方形開口環(huán)和帶孔的圓盤中的一種或多種，所述二氧化釩圖案層的幾何形狀為矩形塊、橢圓和圓中的一種。

3、優(yōu)選的，所述金圖案層的幾何形狀為方形開口環(huán)，所述二氧化釩圖案層分別嵌入在所述金圖案層下邊長(zhǎng)的中心點(diǎn)和上邊長(zhǎng)距離中心線右側(cè)距離為d的位置處，所述二氧化釩的寬度為g，其中，d為不對(duì)稱因子。

4、優(yōu)選的，所述二氧化釩圖案層為相變材料，其相對(duì)介電常數(shù)用drude模型表示，即：

5、

6、其中，ε∞為無限頻率處的金屬介電常數(shù)，γ＝5.75×1013rad/s，σ為二氧化釩的電導(dǎo)率，ω為電磁波的角頻率，等離子體頻率

7、σ0＝3×103ω-1cm-1，ωp(σ0)＝1.4×1015s/m；

8、通過外部溫度激勵(lì)改變二氧化釩圖案層的電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)二氧化釩圖案層從介質(zhì)相到金屬相的可逆相變過程，用于連續(xù)域束縛態(tài)和準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)的動(dòng)態(tài)可調(diào)，其中，外部溫度的調(diào)控通過fpga施加dc偏置電流實(shí)現(xiàn)。

9、優(yōu)選的，通過對(duì)fpga的程序進(jìn)行設(shè)定，調(diào)節(jié)dc偏置電流的輸出，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，具體為：

10、當(dāng)fpga輸出小電流時(shí)，二氧化釩處于絕緣態(tài)，周期陣列為非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，超表面激發(fā)準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)，顯示效果為暗斑；

11、當(dāng)fpga輸出大電流時(shí)，二氧化釩處于金屬態(tài)，周期陣列為對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，超表面激發(fā)連續(xù)域束縛態(tài)，顯示效果為亮斑。

12、優(yōu)選的，所述介質(zhì)襯底的材質(zhì)為聚酰亞胺，其復(fù)合介電常數(shù)εp＝2.93+0.044i。

13、優(yōu)選的，所述金圖案層的電導(dǎo)率為4.56×107s/m。

14、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面在動(dòng)態(tài)顯示成像中的應(yīng)用。

15、優(yōu)選的，包括以下步驟：

16、s1、設(shè)計(jì)金屬陣列結(jié)構(gòu)的幾何形狀和空間分布，形成束縛態(tài)超構(gòu)表面；

17、s2、控制fpga輸出對(duì)應(yīng)的電壓偏置，二氧化釩圖案層隨度改變發(fā)生相變，形成對(duì)稱單元和不對(duì)稱單元；

18、s3、電磁波入射光照射至束縛態(tài)超構(gòu)表面，激發(fā)出bic和d-bic，透射譜對(duì)應(yīng)輸出暗態(tài)和亮態(tài)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。

19、優(yōu)選的，所述電磁波入射光為線偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光中的一種。

20、因此，本發(fā)明采用上述一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面，有益效果如下：

21、本發(fā)明采用束縛態(tài)超構(gòu)表面基本單元排列成周期性二維陣列，利用二氧化釩圖案層在溫度改變下發(fā)生相變的特性，打破了方形結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，從而使得模式發(fā)生泄漏，超構(gòu)表面的bic模式轉(zhuǎn)化為d-bic模式，從而實(shí)現(xiàn)了透射譜的暗態(tài)到亮態(tài)的轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)了圖像的動(dòng)態(tài)顯示，解決了傳統(tǒng)超表面成像單一的問題，拓展了束縛態(tài)超構(gòu)表面的應(yīng)用前景。

22、下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面，其特征在于，包括介質(zhì)襯底和設(shè)置于介質(zhì)襯底上表面的金屬陣列結(jié)構(gòu)，所述金屬陣列結(jié)構(gòu)包括陣列設(shè)置的金圖案層，所述金圖案層上嵌入設(shè)置有若干二氧化釩圖案層，所述金圖案層的幾何形狀為矩形、十字、方形開口環(huán)和帶孔的圓盤中的一種或多種，所述二氧化釩圖案層的幾何形狀為矩形塊、橢圓和圓中的一種。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面，其特征在于：所述金圖案層的幾何形狀為方形開口環(huán)，所述二氧化釩圖案層分別嵌入在所述金圖案層下邊長(zhǎng)的中心點(diǎn)和上邊長(zhǎng)距離中心線右側(cè)距離為d的位置處，所述二氧化釩的寬度為g，其中，d為不對(duì)稱因子。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面，其特征在于：所述二氧化釩圖案層為相變材料，其相對(duì)介電常數(shù)用drude模型表示，即：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面，其特征在于：通過對(duì)fpga的程序進(jìn)行設(shè)定，調(diào)節(jié)dc偏置電流的輸出，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，具體為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面，其特征在于：所述介質(zhì)襯底的材質(zhì)為聚酰亞胺，其復(fù)合介電常數(shù)εp＝2.93+0.044i。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面，其特征在于：所述金圖案層的電導(dǎo)率為4.56×107s/m。

7.一種如權(quán)利要求1-6所述的面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面在動(dòng)態(tài)顯示成像中的應(yīng)用。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于，包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于：所述電磁波入射光為線偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光中的一種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面，包括介質(zhì)襯底和設(shè)置于介質(zhì)襯底上表面的金屬陣列結(jié)構(gòu)，所述金屬陣列結(jié)構(gòu)包括陣列設(shè)置的金圖案層，所述金圖案層上嵌入設(shè)置有若干二氧化釩圖案層，所述金圖案層的幾何形狀為矩形、十字、方形開口環(huán)和帶孔的圓盤中的一種或多種，所述二氧化釩圖案層的幾何形狀為矩形塊、橢圓和圓中的一種。本發(fā)明采用上述一種面向動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用的溫控雙通道束縛態(tài)超構(gòu)表面，BIC和Q?BIC對(duì)應(yīng)高低兩種透射譜，通過外部溫度激勵(lì)改變二氧化釩電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)二氧化釩從介質(zhì)相到金屬相的可逆相變過程，實(shí)現(xiàn)BIC和Q?BIC的動(dòng)態(tài)可調(diào)，溫度的調(diào)控通過FPGA施加DC偏置電流實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)多樣化的動(dòng)態(tài)顯示。

技術(shù)研發(fā)人員：史金輝,唐華偉,王浩宇,彭俊天,萬順,朱正,李玉祥,李汶佳,呂博
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10