一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件的製作方法

2023-05-23 21:03:16 1

專利名稱：一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件，屬於可見光隱身領域。
背景技術：
隱身一直是人類長期以來的一種理想，但是隱身技術長久以來一直沒有實現。現有的隱形技術主要是在微波段，在物體表面塗抹能吸收雷達波的材料，防止目標被雷達發現，從而實現隱形，然而這種技術不是真正的隱身，而且在可見光波段，物體仍然是可見的。 在光波段，現有的隱身技術主要還是軍事迷彩等，然而，這也只是一種偽裝而不是真正的從視線中消失。有一種隱身裝置，通過攝像頭和顯示屏，將一側的物體拍下後顯示在另一側， 但它的效果受圖像的質量影響，而且需要額外的能量，裝置也比較複雜。還有一種方式，通過光纖，將光線從一側引導到另一側，從而繞過中間的物體，但這樣的裝置對光纖的工藝要求較高，而且只能實現一個方向上的隱身。

發明內容
本發明的目的在於提供一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件。各向異性介質是指電磁參數在各個方向上不同的物質，本發明利用各向異性介質的這一特殊性質，將它應用於隱身技術。本發明以異向介質作為構造整個光波段隱身器件的材料，通過光學變換法，並進行適當的簡化，選取合適的異向介質電磁參數，從而得到構造簡單、易於實現、性能穩定、具有四個方向隱身效果、適用於整個可見光波段的隱身器件。為實現上述目的，本發明所採取的技術方案是本發明光波段隱身器件是由四個透明的各向異性介質單元圍成的帶空腔的殼體，所述各向異性介質單元為橫截面呈等腰梯形的柱體，每個各向異性介質單元的橫截面的每個腰所在的側面與同其相鄰的各向異性介質單元的橫截面的對應腰所在的側面貼合在一起。所有各向異性介質單元的橫截面的下底邊所在的側面圍成所述殼體的外壁，所有各向異性介質單元的橫截面的上底邊所在的側面圍成所述殼體的內壁，所述殼體的空腔用以放置欲被隱身的物體。進一步地，本發明所述各向異性介質單元為電各向異性介質和/或磁各向異性介質。進一步地，若所述各向異性介質單元為電各向異性介質，則本發明所述光波段隱身器件用於對TM(磁場方向垂直於各向異性介質單元的橫截面)極化的光線的隱身；若所述各向異性介質單元為磁各向異性介質，則本發明所述光波段隱身器件用於對TE(電場方向垂直於各向異性介質單元的橫截面)極化的光線的隱身；若所述各向異性介質單元同時為電各向異性介質和磁各向異性介質時，則所述光波段隱身器件用於對全極化方向的光線的隱身。進一步地，本發明所述各向異性介質單元以雙折射率物質為材料。
進一步地，本發明所述各向異性介質單元的光軸方向根據所用的雙折射率物質對於尋常光的折射率η。和非尋常光的折射率確定，當n。> 時，所述各向異性介質單元的光軸方向與其橫截面的下底邊和上底邊垂直，當n。 ne
λ/2 ·η ·η
時，所述折射率匹配液的折射率〃I22，且各向異性介質單元的橫截面的下底邊與
yfi ι 24 ·η ·η
上底邊之比α >；當n。< ne時，所述折射率匹配液的折射率巧=ι 2e 2°，且各向異
<-η]^ne+ηο
2 . 2
性介質單元的橫截面的下底邊與上底邊之比《 >^V^。
ne ~no進一步地，本發明所述各向異性介質單元的橫截面的腰與下底邊的夾角為45°。本發明的有益效果是本發明以各向異性介質作為構造光波段隱身器件的材料，光線通過該器件時，利用各向異性介質控制光線的傳播方向，使光線繞過器件中心用於放置欲被隱身物體的空腔，並使出射光線方向與原入射光線傳播的方向相同，從而起到隱身的效果。本發明通過各向異性介質單元圍成整個光波段隱身器件，構造簡單；不需要外加能量，也不需要較高的工藝，易於實現，性能穩定；而且本發明光波段隱身器件具有四個方向隱身效果，適用於整個可見光波段。


圖1是本發明光波段隱身器件的各向異性介質單元示意圖；圖2是本發明光波段隱身器件的整體結構示意圖；圖3是理論計算的光線通過本發明所述光波段隱身器件時的軌跡圖；圖中，1.各向異性介質單元的上底面；2.各向異性介質單元的下底面；3.各向異性介質單元的呈等腰梯形的橫截面的一個腰所在的側面；4.各向異性介質單元的呈等腰梯形的橫截面的另一個腰所在的側面；5.各向異性介質單元的呈等腰梯形的橫截面的下底邊所在的側面；6.各向異性介質單元的呈等腰梯形的橫截面的上底邊所在的側面；7.光波段隱身器件的空腔；8.光波段隱身器件的其中一個各向異性介質單元；9.光波段隱身器件的其中一個各向異性介質單元；10.光波段隱身器件的其中一個各向異性介質單元；3a.各向異性介質單元8的一個側面；4a.各向異性介質單元8的另一個側面；3b.各向異性介質單元9的一個側面；
4b.各向異性介質單元9的另一個側面；3c.各向異性介質單元10的一個側面；4c.各向異性介質單元10的另一個側面；11.折射率匹配液所在區域；12.折射率匹配液與各向異性介質單元的交界面；13.相鄰兩個各向異性介質單元的結合面；14.各向異性介質單元與折射率匹配液的交界面；15a.其中一束入射的光線的軌跡；15b.光線發生第一次折射後的軌跡；15c.光線發生第二次折射後的軌跡；15d.光線發生第三次折射後的軌跡。
具體實施例方式圖1所示為構成本發明光波段隱身器件的各向異性介質單元，該各向異性介質單元為橫截面呈等腰梯形的柱體。圖2示出的是本發明光波段隱身器件的整體結構示意圖， 它是由四個各向異性介質單元構成，即每個各向異性介質單元的呈等腰梯形的橫截面的每個腰所在的側面與同其相鄰的各向異性介質單元的呈等腰梯形的橫截面的對應腰所在的側面貼合在一起。具體地說，如圖2所示，將各向異性介質單元8的側面3a與相鄰的各向異性介質單元9的側面4b貼合在一起，將各向異性介質單元8的另一個側面如與同其相鄰的各向異性介質單元10的側面3c貼合在一起，以此類推，從而形成一個由四個各向異性介質單元的相鄰側面依次相接而圍成的正方形柱狀結構的殼體，該殼體即為本發明的光波段隱身器件。從而，所有各向異性介質單元的呈等腰梯形的橫截面的下底邊所在的側面5 圍成本發明光波段隱身器件的外壁，所有各向異性介質單元的呈等腰梯形的橫截面的上底邊所在的側面6圍成本發明光波段隱身器件的內壁，而由內壁所圍成的空腔7則用來放置欲被隱身的物體。眾所周知，當光線入射到兩個不同物體的交界面時，會發生折射，折射的方向跟光線入射的角度有關，也與兩個物體的折射率有關，具體遵循斯奈爾定律。普通物體的折射率在各個方向上都相同；而各向異性介質由於其電磁參數在各個方向上的不同，故各向異性介質的折射率在各個方向上也不相同，其光線的折射軌跡與普通物體的光線的折射軌跡完全不同。利用各向異性介質這一特殊的性質，可以用來控制光線折射的軌跡，達到普通材料沒法達到的效果。本發明的光波段隱身器件在工作時，需要將光波段隱身器件浸沒於折射率匹配液中，從而調整光線穿過構成光波段隱身器件的各向異性介質單元時的折射角度。折射率匹配液的折射率由各向異性介質的電磁參數通過計算得出。本發明光波段隱身器件的具體電磁參數與結構參數設置如下各向異性介質單元選用雙折射率物質為材料，各向異性介質單元的橫截面為等腰梯形，等腰梯形的腰與下底邊的夾角為45°。雙折射率物質對於尋常光的折射率為n。，雙折射率物質對於非尋常光的折射率為I，當η。> 時，各向異性介質單元的光軸方向與其橫截面的下底邊與上底邊垂λ/2 ·η ·η
直，折射率匹配液的折射率根據公式〃I 2 /來確定，各向異性介質單元的橫截面的
We
2 . 2
下底邊與上底邊之比《 >；當n。< ne時，各向異性介質單元的光軸方向與其橫截面的
no ~ne
λ/2 ·η ·η
下底邊與上底邊平行，折射率匹配液的折射率根據公式^= ι 2 2°來確定，各向異性介W。
2 . 2
質單元的橫截面的下底邊與上底邊之比《 >。
ne ~no圖3為理論計算的光線通過本發明光波段隱身器件時的軌跡圖(俯視)。圖3所示的實施例中，該正方形光波段隱身器件浸沒於折射率匹配液中；其中，各向異性介質單元選用雙折射晶體方解石為原料，方解石為電各向異性介質，其折射率為n。= 1. 66，ne = 1. 49， 各向異性介質單元的光軸方向與其橫截面的下底邊和上底邊垂直，折射率匹配液的折射率選取為Ii1 = 1.568，各向異性介質單元的橫截面的下底邊與上底邊之比為10。以下以如圖3為示例來說明本發明光波段隱身器件的工作原理。如圖3所示，本發明光波段隱身器件在工作時，一束TM(磁場方向垂直於各向異性介質單元的橫截面)極化的光線1 從左邊水平向光波段隱身器件方向入射。當光線1 從折射率匹配液所在區域11入射到該光波段隱身器件的外壁時(以下以折射率匹配液與各向異性介質單元的交界面12為例進行說明)，根據斯奈爾定律，光線的波矢在交界面12的切線方向上相等，因此光線15a向上偏移至光線1 所在的位置。當光線1 經過交界面13 (即相鄰兩個各向異性介質單元的結合面)時，由於各個各向異性介質單元的光軸方向不同，根據斯奈爾定律， 光線1 再度向下發生偏移至光線15c所在的位置，當光線15c經過下一個交界面14(折射率匹配液與各向異性介質單元的交界面)時，根據斯奈爾定律，光線15c發生折射，折射後的光線15d的方向與入射光線15a的傳播方向相同。如圖3所示，光線1 和其它光線沿其光路依次經過相應的各向異性介質單元，進行四次折射，由此繞過中間的空腔7，從而使得空腔7內的被隱身物體不可見，起到隱身的效果。對於本發明光波段隱身器件而言，若各向異性介質單元為電各向異性介質，則本發明光波段隱身器件用於對TM(磁場方向垂直於各向異性介質單元的橫截面)極化的光線的隱身；若各向異性介質單元為磁各向異性介質，則本發明光波段隱身器件用於對TE(電場方向垂直於各向異性介質單元的橫截面)極化的光線的隱身；若各向異性介質單元同時具備電各向異性介質和磁各向異性介質的特性時，則本發明光波段隱身器件用於對全極化方向的光線的隱身。雖然圖3中只畫出了光線從左邊水平入射時的情況，但光線可以從與任意相鄰兩個各向異性介質單元的結合面相平行的方向向光波段隱身器件入射，且具有同樣的效果， 因此，如圖3所示的實施例能實現在四個方向上隱身的效果。
權利要求
1.一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件，其特徵是它是由四個透明的各向異性介質單元圍成的帶空腔的殼體，所述各向異性介質單元為橫截面呈等腰梯形的柱體，每個各向異性介質單元的橫截面的每個腰所在的側面與同其相鄰的各向異性介質單元的橫截面的對應腰所在的側面貼合在一起；所有各向異性介質單元的橫截面的下底邊所在的側面圍成所述殼體的外壁，所有各向異性介質單元的橫截面的上底邊所在的側面圍成所述殼體的內壁，所述殼體的空腔用以放置欲被隱身的物體。
2.根據權利要求1所述的一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件， 其特徵是所述各向異性介質單元為電各向異性介質和/或磁各向異性介質。
3.根據權利要求2所述的一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件， 其特徵是若所述各向異性介質單元為電各向異性介質，則所述光波段隱身器件用於對TM 極化的光線的隱身；若所述各向異性介質單元為磁各向異性介質，則所述光波段隱身器件用於對TE極化的光線的隱身；若所述各向異性介質單元同時為電各向異性介質和磁各向異性介質時，則所述光波段隱身器件用於對全極化方向的光線的隱身。
4.根據權利要求1所述的一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件， 其特徵是所述各向異性介質單元以雙折射率物質為材料。
5.根據權利要求4所述的一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件， 其特徵是當n0 > ne時，所述各向異性介質單元的光軸方向與其橫截面的下底邊和上底邊垂直；當n0 < ne時，各向異性介質單元的光軸方向與其橫截面的下底邊和上底邊平行；其中，η。表示所述雙折射率物質對於尋常光的折射率n。，表示所述雙折射率物質對於非尋常光的折射率。
6.根據權利要求5所述的一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件，其特徵是所述光波段隱身器件浸沒於透明的折射率匹配液中，當n0 > ne時，所述折射率匹配液的折射率
7.根據權利要求1至6中任一項所述的一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件，其特徵是所述各向異性介質單元的橫截面的腰與下底邊的夾角為45°。
全文摘要
本發明公開一種利用各向異性介質構造的正方形柱狀光波段隱身器件。它是由四個透明的各向異性介質單元圍成的帶空腔的殼體，各向異性介質單元為橫截面呈等腰梯形的柱體，每個各向異性介質單元的橫截面的每個腰所在的側面與同其相鄰的各向異性介質單元的橫截面的對應腰所在的側面貼合在一起；所有各向異性介質單元的橫截面的下底邊所在的側面圍成殼體的外壁，所有各向異性介質單元的橫截面的上底邊所在的側面圍成殼體的內壁，殼體的空腔用以放置欲被隱身的物體。光線通過本發明器件時，通過各向異性介質控制光線的傳播方向，使其繞過中間的空腔，並使出射光線的方向與原入射光線的方向相同，從而具有四個方向的隱身效果，且適用於整個可見光波段。
文檔編號G02B6/00GK102436022SQ20111043630
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月22日 優先權日2011年12月22日
發明者鄭斌, 陳紅勝 申請人:浙江大學