本發(fā)明涉及一種基于多層液晶材料的可調(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/關(guān)功能），換句話說光學(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)一種簡單實(shí)用的方法對光學(xué)隱身斗篷的光學(xué)隱身功能進(jìn)行調(diào)諧，他將對光學(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。

在外界光、熱、電、磁或者應(yīng)力的作用下，液晶材料的晶軸方向會發(fā)生可逆，而伴隨著晶軸方向的改變，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率也會發(fā)生可逆性改變。

本發(fā)明提供一種基于多層液晶材料的可調(diào)控光學(xué)隱身斗篷。該三維可調(diào)控光學(xué)隱身斗篷通過液晶材料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)液晶材料環(huán)層自下而上疊加構(gòu)成，通過控制不同環(huán)層中液晶材料的晶軸方向，可以使每層對應(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)而使光線繞過斗篷區(qū)域后，光場恢復(fù)原來的分布，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身功能。同時(shí)，通過循環(huán)控制每個(gè)環(huán)層中液晶材料的晶軸方向，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身斗篷的實(shí)時(shí)開/關(guān)性能，從而克服了光學(xué)隱身斗篷不能開關(guān)的缺點(diǎn)。本發(fā)明基于液晶材料晶軸方向可控原理，可以有效節(jié)省能量，延長偽裝時(shí)間；在實(shí)現(xiàn)上，采用電、光控開關(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），使對方探測到一些無效光學(xué)信息，而在需要的時(shí)候開啟熱隱身功能讓對方探測不到其光學(xué)信號，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/關(guān)光隱身功能）的缺點(diǎn)，利用液晶材料這一常見材料，提供一種實(shí)現(xiàn)可調(diào)控（可開/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：一種基于多層液晶材料的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷，包括襯底層、間隔層、液晶材料環(huán)層組成的表面覆蓋環(huán)層、附于液晶材料環(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)層為多個(gè)液晶材料環(huán)層自下而上疊加構(gòu)成，每個(gè)液晶材料環(huán)層內(nèi)壁表面均貼有金屬薄層貼片，每兩個(gè)液晶材料環(huán)層之間均有間隔層隔離；內(nèi)部支撐殼處于多層液晶材料環(huán)層內(nèi)側(cè)，用于承載多層液晶材料環(huán)層，被隱藏的目標(biāo)放置于內(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)過控制單元和供能單元接地，通過操控控制單元，可以調(diào)控供能單元對每層液晶材料環(huán)層的加熱時(shí)間，進(jìn)而控制不同液晶材料環(huán)層中液晶材料的晶軸方向，可以使每層液晶材料環(huán)層對應(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)而使光線繞過斗篷區(qū)域后，光學(xué)場恢復(fù)原來的分布，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身功能。

所述的液晶材料環(huán)層的形狀是半球體、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，每一個(gè)液晶材料環(huán)層可獨(dú)立控制和工作；液晶材料環(huán)層是向列相液晶、近晶相液晶、膽甾相液晶、碟型液晶、熱致液晶、重現(xiàn)性液晶、手性液晶、負(fù)性液晶、端烯類液晶、嘧啶類液晶、含氟類液晶、炔類液晶、乙烷類液晶或苯基環(huán)己烷類液晶，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、聲控或磁控開關(guān)；所述的供能單元是電能、熱能、光能或核能。

所述的多層液晶材料結(jié)構(gòu)液晶材料環(huán)層通過材料生長工藝實(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、氣相外延生長和分子束外延方法。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明基于液晶材料晶軸方向可控原理，可以有效節(jié)省能量，延長偽裝時(shí)間；在實(shí)現(xiàn)上，采用電、光控開關(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液晶材料的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷，可以通過外加電、熱、光或磁場對改變液晶材料這一常見材料的介電常數(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/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)。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)液晶材料的可調(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)液晶材料的可調(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層液晶材料表面覆蓋環(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)液晶材料的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷在隱身功能開設(shè)狀態(tài)下(即硫族化合物處于不同狀態(tài)下的)的光場分布情況。

圖3(b)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)液晶材料的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷在隱身功能關(guān)閉狀態(tài)下(即硫族化合物處于不同狀態(tài)下的)的光場分布情況。

圖中：1襯底層；2n層液晶材料表面覆蓋環(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，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，通過材料生長工藝和掩模工藝，將設(shè)計(jì)好的液晶材料環(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層液晶材料表面覆蓋環(huán)層2，如附圖2(b)所示。其中，液晶材料表面環(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通過鍍膜工藝被加工在n層液晶材料表面覆蓋環(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(diào)控供能單元10對每層液晶材料的加熱時(shí)間，進(jìn)而控制不同環(huán)層中液晶材料的晶軸方向，可以使每層液晶材料環(huán)層對應(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)而使光線繞過斗篷區(qū)域后，光場恢復(fù)原來的分布，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身功能。最終實(shí)現(xiàn)一種基于多層液晶材料的可調(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)一種基于多層液晶材料的可調(diào)控三維光學(xué)隱身斗篷中的液晶材料的晶軸方向發(fā)生變化，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率系數(shù)分布也會發(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”即屏蔽外來的光使得內(nèi)部支撐殼5內(nèi)所隱藏物體不被外界所探測，即光線通過該光學(xué)隱身斗篷后不改變其光場分布(如圖3(a)所示)和“關(guān)”即光通過該隱身斗篷后其光場分布發(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(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明書和附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說明。