一種基於多層透明導電氧化物的可調控三維光學隱身鬥篷的製作方法

2023-06-09 13:40:12 1

本發明涉及一種基於多層透明導電氧化物的可調控三維光學隱身鬥篷的實現方法和裝置，可應用於光波傳播方向的控制。

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鬥篷。2007年，文獻3：「caietal,naturephotonics,2007(1):224」提出了橫磁波二維超材料隱身鬥篷。2010年，文獻4：「maetal,naturecommunications,2010(1):124」提出了基於介質板的二維孔陣列實現了電磁波的隱身效果。但是，目前光學隱身結構的設計，大多基於二維平面結構模型仿真和實驗測試，三維光學隱身鬥篷則鮮有報導。

另外，目前的光學隱身鬥篷還不具備可調諧的功能(即光學隱身的開/關功能)，換句話說光學隱身鬥篷的結構一旦確定以後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係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鬥篷的光學隱身功能進行調諧，他將對光學隱身鬥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。

透明導電氧化物在外界光、熱、電、磁、氣壓或應力的作用下，其介電常數和磁導率也會發生可逆性改變。

本發明提供一種基於多層透明導電氧化物的可調控光學隱身鬥篷。該三維可調控光學隱身鬥篷通過透明導電氧化物組成的表面覆蓋殼層實現。其中，表面覆蓋殼層為多個透明導電氧化物環層自下而上疊加構成，通過控制不同環層中透明導電氧化物的自由電子密度，可以使每層對應不同的介電常數和磁導率係數，獲得光學隱身所需的三維介電常數和磁導率係數分布，進而使光線繞過鬥篷區域後，光場恢復原來的分布，實現光學隱身功能。同時，通過循環控制每個環層中透明導電氧化物的自由電子密度，實現光學隱身鬥篷的實時開/關性能，從而克服了光學隱身鬥篷不能開關的缺點。本發明基於透明導電氧化物自由電子密度可控原理，可以有效節省能量，延長偽裝時間；在實現上，採用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了光學隱身鬥篷的複雜度和成本，實際應用潛力大。使用本發明技術，可以使光學隱身鬥篷在大多數時間內處於關閉狀態(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熱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，麻痺敵方，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：克服現有光學隱身鬥篷大多基於二維平面結構、和光學隱身鬥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，利用透明導電氧化物這一常見材料，提供一種實現可調控(可開/關)三維光學隱身鬥篷的新技術，使得系統具備結構簡單、速度快、便於操作、能耗小、實時性強和實現成本低等優點。

本發明的技術方案：

一種基於多層透明導電氧化物的可調控三維光學隱身鬥篷，包括襯底層、間隔層、透明導電氧化物環層組成的表面覆蓋環層、附於透明導電氧化物環層內壁的金屬薄層貼片、內部支撐殼、控制單元和供能單元；表面覆蓋環層為多個透明導電氧化物環層自下而上疊加構成，每個透明導電氧化物環層內壁表面均貼有金屬薄層貼片，每兩個透明導電氧化物環層之間均有間隔層隔離；內部支撐殼處於多層透明導電氧化物環層內側，用於承載多層透明導電氧化物環層，被隱藏的目標放置於內部支撐殼的腔內；內部支撐殼與金屬薄層貼片接觸，同時內部支撐殼對應於每個金屬薄層貼片處都鑽有小孔，小孔孔徑為1μm～1cm、深度為1μm～10cm；小孔內安裝導線，導線一端連接在金屬薄層貼片上，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，可以調控供能單元對每層透明導電氧化物環層的作用時間，進而控制不同透明導電氧化物環層中透明導電氧化物的自由電子密度，可以使每層透明導電氧化物環層對應不同的介電常數和磁導率係數，實現光學隱身所需的三維介電常數和磁導率係數分布，進而使光線繞過鬥篷區域後，光學場恢復原來的分布，實現光學隱身功能。

所述的透明導電氧化物環層的形狀是半球體、圓錐體、餘弦體、正弦體、圓柱體、半橢圓體、正方體、矩形體或六邊體，每一個透明導電氧化物環層可獨立控制和工作；所述的透明導電氧化物環層是氧化銦錫、氧化鋅鋁、摻鎵氧化鋅、摻鋅的氧化銦錫或摻雜氧化鎘銦，其寬度為1μm～10cm、厚度為20nm～10cm。

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

所述的間隔層是矽酸鈣、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1nm～10cm、厚度為1nm～10cm。

所述的內部支撐殼是聚亞胺、塑料、bk7光學玻璃，sio2、si3n4或al2o3；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。

所述的多層透明導電氧化物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澱、氣相外延生長和分子束外延方法。

本發明的有益效果：本發明基於透明導電氧化物的自由電子密度可調控原理，可以有效節省能量，延長偽裝時間；在實現上，採用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了光學隱身鬥篷的複雜度和成本，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。

本發明提供一種基於多層透明導電氧化物的可調控三維光學隱身鬥篷，可以通過外加電、熱、光或磁場改變透明導電氧化物這一常見材料的介電常數和磁導率係數分布，提供一種實現可調控(可開/關)三維光學隱身鬥篷的新技術，使得系統具備結構簡單、速度快、便於操作、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於n層(n≥1)透明導電氧化物的可調控三維光學隱身鬥篷切面圖。

圖1(b)為本發明提供的一種基於n層(n≥1)透明導電氧化物的可調控三維光學隱身鬥篷俯視圖。

圖2(a)為內部支撐殼示意圖。

圖2(b)為n層透明導電氧化物表面覆蓋環層(n≥1)示意圖。

圖2(c)為可調控三維光學隱身鬥篷示意圖。

圖3(a)為本發明提供的一種基於n層(n≥1)透明導電氧化物的可調控三維光學隱身鬥篷在隱身功能開設狀態下(即透明導電氧化物處於不同自由電子密度時的)的光場分布情況。

圖3(b)為本發明提供的一種基於n層(n≥1)透明導電氧化物的可調控三維光學隱身鬥篷在隱身功能關閉狀態下(即透明導電氧化物處於不同自由電子密度時的)的光場分布情況。

圖中：1襯底層；2n層透明導電氧化物表面覆蓋環層(n≥1)；

3金屬薄層貼片；4間隔層；5內部支撐殼；6隱身區域；7小孔；8導線；9控制單元；10供能單元；11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澱，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溼法刻蝕和幹法刻蝕，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。

首先，利用材料生長工藝在襯底1上形成內部支撐殼5，如附圖2(a)所示；

然後，通過材料生長工藝和掩模工藝，將設計好的透明導電氧化物環層在襯底1和內部支撐殼5的外表面由下至上逐層疊加，實現n層透明導電氧化物表面覆蓋環層2，如附圖2(b)所示。其中，透明導電氧化物表面環層和內部支撐殼的設計可以採用有限時域差分法、有限元法等算法。金屬薄層貼片3通過鍍膜工藝被加工在n層透明導電氧化物表面覆蓋環層2的內環壁和內部支撐殼5的外壁之間。

內部支撐殼對應於每個金屬薄層貼片3處，都鑽有小孔7。小孔內安裝導線8，導線一端連接在金屬薄層貼片3上，另一端經過控制單元9和供能單元10接地線11，通過操控控制單元9，可以調控供能單元10對每層透明導電氧化物的作用時間，進而控制不同環層中透明導電氧化物的自由電子密度，可以使每層透明導電氧化物環層對應不同的介電常數和磁導率係數，實現光隱身所需的三維介電常數和磁導率係數分布，進而使光線繞過鬥篷區域後，光場恢復原來的分布，實現光學隱身功能。最終實現一種基於多層透明導電氧化物的可調控三維光學隱身鬥篷，如附圖2(c)所示。

如圖3所示，當一種基於多層透明導電氧化物的可調控二維光學隱身鬥篷中的透明導電氧化物發生自由電子密度變化，其介電常數和磁導率係數分布也會發生改變，進而實現光傳播方向的調控，實現光學隱身功能的「開」即屏蔽外來的光使得內部支撐殼5內所隱藏物體不被外界所探測，即光線通過該光學隱身鬥篷後不改變其光場分布(如圖3(a)所示)和「關」即光通過該隱身鬥篷後其光場分布發生改變，導致內部支撐殼5內所放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，均應在本發明的範圍內，特此說明。