一種采用超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)中紅外頻段隱身的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)成像領(lǐng)域，設(shè)及屬于微納光子學(xué)在成像領(lǐng)域中的應(yīng)用，尤其是一 種可應(yīng)用于反偵測領(lǐng)域的新型超構(gòu)表面隱身材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 在超材料的概念被提出之后，光學(xué)隱身由幻想變成了可能。2006年，英國物理學(xué)家 化η化y等人在《Science》上撰文，提出了用超材料套實(shí)現(xiàn)完美隱身的思想并建立了化η化y 公式;郭鵬斐碩±學(xué)位論文公開了超材料隱身天線罩研究，但是利用超材料實(shí)現(xiàn)隱身的進(jìn) 程并不順利。目前所提出的光學(xué)隱身方法大多存在著各種各樣的問題。例如將目標(biāo)物體用 一個(gè)球殼包裹，利用變換光學(xué)的方法對(duì)球殼內(nèi)光的傳播路徑進(jìn)行調(diào)控而消除物體的散射 光。盡管此方法具有全角度的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于入射光波長的要求非常嚴(yán)格，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難 W實(shí)際投入使用，其他的隱身方法諸如毯式隱身等也大多存在難W制作、無法應(yīng)用于較大 物體W及使用約束較大等問題，因此不能實(shí)際投入使用，光學(xué)隱身的實(shí)現(xiàn)道路依然漫長而 艱辛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是，采用超構(gòu)表面設(shè)計(jì)隱身平板材料，尤其在波長為10.6μπι的波段 對(duì)二維半透明物體實(shí)現(xiàn)較為理想的隱身。解決了【背景技術(shù)】中所提到的隱身材料加工困難、 線度無法提高等問題。本發(fā)明所設(shè)及的設(shè)計(jì)方法具有較高的靈活性，可W通過對(duì)于超構(gòu)表 面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同物體在不同的波段下的隱身，并且可W利用光刻加工技術(shù)進(jìn)行批量的復(fù) 制和生產(chǎn)。
[0004] 本發(fā)明技術(shù)方案:采用超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身的方法，采用超構(gòu)平板材料表面，對(duì) 于入射光進(jìn)行振幅與相位的調(diào)控，W控制出射光所攜帶的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于置于特定位 置的二維透明物體的隱身;具體步驟為：
[0005] 根據(jù)給定二維透明物體的透過率函數(shù)W及各器件位置、納米天線的線度等信息， W及實(shí)際搭建的光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)信息，利用已有的光學(xué)模擬程序計(jì)算出平板材料所在位置 的光場復(fù)振幅分布，并根據(jù)得到的復(fù)振幅分布信息對(duì)于材料表面的天線陣列進(jìn)行排布，W 達(dá)到隱身效果;利用數(shù)值模擬程序，在二維透明物體處虛構(gòu)一個(gè)透過率函數(shù)為物體實(shí)際透 過率函數(shù)的倒數(shù)的假想物體，并通過在模擬的假想物體光波上疊加球面波的方式，使物光 匯聚于超構(gòu)材料所在位置，保證超構(gòu)材料能夠記錄下大部分與目標(biāo)二維透明物體形貌有關(guān) 的信息，計(jì)算出超構(gòu)材料處所對(duì)應(yīng)的假想物體光光場復(fù)振幅分布;通過對(duì)于模擬過程中采 樣間隔的合理調(diào)控，使得在模擬過程中每一個(gè)對(duì)給定二維透明物體采樣點(diǎn)（X，y)對(duì)應(yīng)超構(gòu) 材料的一個(gè)像素點(diǎn)，并據(jù)此確定超構(gòu)材料的納米天線排布，使其與計(jì)算得到的假象物光光 場的共輛相對(duì)應(yīng)，從而確保由超構(gòu)材料出射的光在給定二維透明物體處的光場恰好包含二 維透明物體透過率函數(shù)的倒數(shù)部分，根據(jù)公式:〇/^，7)=〇體，當(dāng)入射光〇透過物體時(shí)，其中 的1/K部分可W與二維透明物體透過率函數(shù)K相抵消，從而使出射光〇/中不攜帶物體信息。
[0006] 進(jìn)一步，利用光學(xué)模擬確定平板材料對(duì)應(yīng)的復(fù)振幅分布時(shí)，利用疊加標(biāo)準(zhǔn)球面波 或平面波相位，W控制出射光的方向；入射光與平板材料表面垂直且為圓偏振光，工作波段 為中紅外（10.6皿左右)波段。
[0007] 當(dāng)圓偏振光沿Z軸垂直入射至長軸與X方向夾角為巧的納米天線時(shí)，除去旋向相反 的正常偏振光外，還會(huì)激發(fā)反常反射光，沿天線長軸與短軸偏振的部分在出射時(shí)會(huì)分別發(fā) 生相位轉(zhuǎn)化，即疊加一個(gè)相位，長短軸偏振光的疊加相位之間存在相位差Θ，故出射光不再 為簡單的圓偏振光;反常反射光可被分解為兩束旋向相反的圓偏光，其中與入射光旋向相 同的部分相對(duì)振幅為
與入射光旋向相反的部分相對(duì)振幅為
[0008] 實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身的平板材料的振幅調(diào)控方式，利用矩形納米天線長軸與短軸出射光 的相位差Θ與天線的長寬相關(guān)的性質(zhì)，利用對(duì)天線長寬的調(diào)控將入射圓偏光轉(zhuǎn)化為兩個(gè)相 對(duì)振幅分別天
旋向相反的圓偏光，并利用1/4波片與偏振片對(duì)特定旋向即 與入射光旋向相同的部分進(jìn)行保留，而對(duì)與入射光旋向相反的部分進(jìn)行消光。
[0009] 實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身的平板材料的相位調(diào)控方式:利用矩形納米天線的長軸與X軸夾角 常的變化W及天線長寬對(duì)出射光相位的共同作用來調(diào)控目標(biāo)出射光相位增量Φ，具體關(guān)系 來
[0010] 采用超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身的平板材料的振幅調(diào)控方式，利用納米天線長寬變化 所帶來的對(duì)出射光相位的調(diào)節(jié)作用來調(diào)節(jié)出射光的振幅，利用矩形納米天線的長軸與X軸 夾角的變化與天線長寬的共同作用調(diào)控相位;利用八種不同大小、具有大于90%高相位轉(zhuǎn) 化效率、短軸疊加相位相同（-1 .〇5rad)、長短軸疊加相位相位差不同（0、0.2化ad、0.58rad、 0.8化ad、1.2化ad、1.5化ad、2.0化ad、3.14rad)、對(duì)應(yīng)不同出射光相對(duì)振幅（0、1/7、2/7、3/ 7、4/7、5/7、6/7、1)的納米天線組成天線陣列，將每一個(gè)納米天線作為一個(gè)調(diào)控單元來調(diào)控 出射圓偏光的相位與振幅。尤其是利用長寬分別為1800*1800,1700*2100,1650*2300， 1600巧450,1600 巧600,1600巧 800,1500巧 950,1550*3600(單位:nm)的八種不同長寬的納 米天線來調(diào)控振幅，納米天線高度lOOnm，介質(zhì)層厚度1350nm，金屬反射層的厚度為250nm; 分別對(duì)應(yīng)0、1/7、2/7、3/7、4/7、5/7、6/7、1倍的相對(duì)振幅，納米天線在超構(gòu)表面上^矩形陣 列(均勻排布)沿平行方向均勻排布，相鄰納米天線間的間隔大小為5500nm。
[0011] 所述的采用超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身的平板材料的結(jié)構(gòu)，八種不同長寬的納米天線 均WAu為反射層，氣化領(lǐng)作為介質(zhì)層，再利用Au作為天線;使用標(biāo)準(zhǔn)光刻與lift-up工藝進(jìn) 行制備;八種不同大小的天線W及天線和X方向的不同夾角使得反射波的相對(duì)振幅從0~1 變化，相位于0~化i之間變化，且保持沿天線短軸與長軸偏振的反射波振幅均在0.9附近， 沿短軸出射的偏振光與入射光相比相位滯后-0.1;
[0012] 利用超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)對(duì)于二維半透明物體的中紅外波段隱身效果：當(dāng)圓偏振光垂直 入射至由設(shè)計(jì)好尺寸的特殊排放的金屬棒組成的超構(gòu)表面材料上時(shí)，會(huì)激發(fā)出相位與振幅 均經(jīng)過調(diào)制的出射光。其中振幅與相位的調(diào)制效果由超構(gòu)表面的天線幾何特征決定。出射 光在置于特定位置的二維物體處會(huì)形成與物體的透過率函數(shù)相對(duì)應(yīng)的復(fù)振幅分布，因此出 射光經(jīng)過二維物體將不攜帶任何與物體的形貌相關(guān)的信息，從而實(shí)現(xiàn)隱身效果。運(yùn)項(xiàng)技術(shù) 相比傳統(tǒng)的光學(xué)隱身方法更為簡單快捷，且具有較低的器件制作難度，在隱身，反探測等領(lǐng) 域具有實(shí)際意義。
[0013] 如可由由二氧化碳激光器發(fā)出激光并經(jīng)由擴(kuò)束鏡與1/4波片產(chǎn)生圓偏光入射至制 作好的超構(gòu)材料上，激發(fā)反常反射光，利用1/4波片與偏振片濾去左旋的正常反射光與反常 反射光中的左旋部分，保留右旋部分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的振幅與相位的自由調(diào)控;當(dāng)出射光抵 達(dá)物體處時(shí)，光波攜帶的信息與物體的透過率函數(shù)抵消，從而實(shí)現(xiàn)隱身效果。
[0014] 本發(fā)明有益效果，與現(xiàn)有技術(shù)相比：
[0015] (1)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，便于制作，可投入大規(guī)模生產(chǎn)。
[0016] (2)對(duì)入射光的利用效率高，納米天線的相位轉(zhuǎn)化效率可達(dá)90%。
[0017] (3)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于宏觀大尺度物體的隱身，實(shí)用性較高。
[0018] (4)利用光刻與lift-up工藝進(jìn)行制備，可控性強(qiáng)。利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的 設(shè)計(jì)，不需要W現(xiàn)有的物體作為模板。
[0019] (5)利用天線的相位調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)振幅，能夠自由地對(duì)于光場進(jìn)行調(diào)控，靈活性 局。
[0020] (6)對(duì)不同工作波段的適應(yīng)性強(qiáng)，能夠滿足不同情況下的需要。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明對(duì)物體進(jìn)行隱身的光路示意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明所采用的二維物體示意圖（物體尺寸:2cm巧cm,不同衍射對(duì)應(yīng)不同的 振幅透過率）。
[0023] 圖3為本發(fā)明對(duì)二維物體的隱身效果示意圖（尺寸:2cm巧cm,不同的顏色對(duì)應(yīng)不同 的相對(duì)振幅）。
[0024] 圖4為納米天線的單元結(jié)構(gòu)示意圖，從左至右，從上至下分別對(duì)應(yīng)振幅調(diào)控為0到1 的8種納米天線。
[0025] 圖5為納米天線陣列示意圖。
[0026] 圖6為模擬得到的8種不同大小的納米天線分別對(duì)應(yīng)的相位轉(zhuǎn)化(疊加相位)效率 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 根據(jù)給定二維透明物體的透過率函數(shù)W及各器件位置、納米天線的線度等信息， W及實(shí)際搭建的光學(xué)系統(tǒng)（圖1)的參數(shù)信息，利用已有的光學(xué)模擬程序計(jì)算出平板材料所 在位置的光場復(fù)振幅分布，并根據(jù)得到的復(fù)振幅分布信息對(duì)于材料表面的天線陣列進(jìn)行排 布，W達(dá)到隱身效果;利用數(shù)值模擬程序，在二維透明物體處虛構(gòu)一個(gè)透過率函數(shù)為物體實(shí) 際透過率函數(shù)的倒數(shù)的假想物體，并通過在模擬的假想物體物光波上疊加球面波的方式， 使物光匯聚于超構(gòu)材料所在位置，保證超構(gòu)材料能夠記錄下大部分與目標(biāo)二維透明物體形 貌有關(guān)的信息，計(jì)算出超構(gòu)材料處所對(duì)應(yīng)的假想物體光光場復(fù)振幅分布;通過對(duì)于模擬過 程中采樣間隔的合理調(diào)控，使得在模擬過程中每一個(gè)超構(gòu)材料所在位置的光學(xué)模擬采樣點(diǎn) (x，y)對(duì)應(yīng)超構(gòu)材料的一個(gè)像素點(diǎn)，并據(jù)此確定超構(gòu)材料的納米天線排布，使其與計(jì)算得到 的假象物光光場的共輛相對(duì)應(yīng)，從而確保由超構(gòu)材料出射的光在給定二維透明物體處的光 場恰好包含二維透明物體透過率函數(shù)的倒數(shù)部分。
[0028] 利用光學(xué)模擬確定平板材料對(duì)應(yīng)的復(fù)振幅分布時(shí)，利用疊加標(biāo)準(zhǔn)球面波或平面波 相位，W控制出射光的方向；
[0029] 入射光與平板材料表面垂直且為圓偏振光，工作波段為中紅外（10.6μπι)波段；
[0030] 當(dāng)圓偏振光沿Ζ軸垂直入射至長軸與X方向夾角為Φ的納米天線時(shí)，除去旋向相反 的正常偏振光外，還會(huì)激發(fā)反常反射光，沿天線長軸與短軸偏振的部分在出射時(shí)會(huì)分別發(fā) 生相位轉(zhuǎn)化，即疊加一個(gè)相位，長短軸偏振光的疊加相位之間存在相位差Θ，故出射光不再 為簡單的圓偏振光;反常反射光可被分解為兩束旋向相反的圓偏光，其中與入射光旋向相 同的部分相對(duì)振幅為
弓入射光旋向相反的部分相對(duì)振幅為
6采樣點(diǎn)（x，y)對(duì)應(yīng)超構(gòu)材料的一個(gè)像素點(diǎn)如下式所示入射左旋光 為例）：
[0031]
[0032] 實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身的平板材料的振幅調(diào)控方式，其特征在于利用矩形納米天線長軸與 短軸出射光的相位差Θ與天線的長寬相關(guān)的性質(zhì)，利用對(duì)天