本發(fā)明涉及一種基于多層石墨烯環(huán)層的可調(diào)控二維光學隱身斗篷的實現(xiàn)方法和裝置，可應用于光場控制領域。

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(zhì)能夠操控光波的傳播方向，實現(xiàn)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斗篷。2007年，文獻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4：“maetal,naturecommunications,2010(1):124”提出了基于介質(zhì)板的二維孔陣列實現(xiàn)了電磁波的隱身效果。但是，目前二維光學隱身結構的設計，還不具備可調(diào)諧的功能(即光學隱身的開/關功能)，換句話說光學隱身斗篷的結構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)和磁導率系數(shù)可以被主動實時調(diào)控的天然材料，這直接制約著光學隱身技術的進一步發(fā)展。因此需要設計一種簡單實用的方法對光學隱身斗篷的光學隱身功能進行調(diào)諧，他將對光學隱身斗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。

石墨烯材料是目前研究得最多、最為成熟的二維材料。在外界光、熱、電、磁或者應力的作用下，石墨烯材料的費米能級大小和位置可以被主動調(diào)諧，而伴隨著石墨烯材料的費米能級大小和位置的改變，其介電常數(shù)和磁導率也會發(fā)生可逆性改變。

本發(fā)明提供一種基于多層石墨烯環(huán)層的二維可調(diào)控光學隱身斗篷。該二維可調(diào)控光學隱身斗篷是將石墨烯環(huán)層以x-y水平面中心為軸，在x、y軸線方向逐層延拓形成，通過控制不同石墨烯環(huán)層中的費米能級大小和位置，可以使每層對應不同的介電常數(shù)和磁導率，獲得光學隱身所需的二維介電常數(shù)和磁導率分布，進而使光繞過斗篷區(qū)域后，光場恢復原來的分布，實現(xiàn)光學隱身功能，為處在光學隱身斗篷中心的物體屏蔽掉外界光干擾，同時不影響外界光場分布。同時，通過循環(huán)控制每個石墨烯環(huán)層中的費米能級大小和位置，實現(xiàn)光學隱身斗篷的實時開/關性能，從而克服了二維光學隱身斗篷不能開關的缺點。本發(fā)明基于石墨烯環(huán)層的費米能級被循環(huán)主動調(diào)諧的原理，可以有效節(jié)省能量，延長偽裝時間；在實現(xiàn)上，采用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了光學隱身斗篷的復雜度和成本，實際應用潛力大。使用本發(fā)明技術，可以使光學隱身斗篷在大多數(shù)時間內(nèi)處于關閉狀態(tài)(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，麻痹敵方，使我方行動具有突然性。該技術在實現(xiàn)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(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：克服現(xiàn)有二維光學隱身斗篷的隱身功能不具備可調(diào)諧性(即不能開/關光隱身功能)的缺點，利用石墨烯這一常見材料，提供一種實現(xiàn)可調(diào)控(可開/關)二維光學隱身斗篷的新技術，使得系統(tǒng)具備結構簡單、速度快、便于操作、能耗小、實時性強和實現(xiàn)成本低等優(yōu)點。

本發(fā)明的技術方案：

一種基于多層石墨烯環(huán)層的可調(diào)控二維光學隱身斗篷，包括襯底層、間隔環(huán)層、石墨烯環(huán)層、控制單元和供能單元；

該可調(diào)控二維光學隱身斗篷是將石墨烯環(huán)層以x-y水平面中心為軸，在x、y軸線方向逐層延拓形成，每兩個石墨烯環(huán)層之間均有間隔環(huán)層隔離；

襯底層處于二維多層石墨烯環(huán)層下方，用于承載二維多層石墨烯環(huán)層，被隱藏的目標放置于二維多層石墨烯環(huán)層的中心位置；

襯底層與多層石墨烯環(huán)層接觸，同時襯底層對應于每個石墨烯環(huán)層處都鉆有小孔，小孔孔徑為1μm～1cm、深度為1cm～100cm；小孔內(nèi)安裝導線，導線一端連接在石墨烯環(huán)層上，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)控供能單元對每層石墨烯環(huán)層的激勵時間，進而控制不同石墨烯環(huán)層中的費米能級的大小和位置，可以使每層石墨烯環(huán)層對應不同的介電常數(shù)和磁導率系數(shù)，實現(xiàn)光學隱身所需的二維介電常數(shù)和磁導率系數(shù)分布，進而使光繞過二維斗篷區(qū)域后，光場恢復原來分布，實現(xiàn)光學隱身功能。

所述的石墨烯環(huán)層的形狀是圓環(huán)、橢圓環(huán)、正方環(huán)、矩形環(huán)或六邊環(huán)，每一個石墨烯環(huán)層可獨立控制和工作；石墨烯環(huán)層是由m層碳原子層構成，其中1≤m≤1000；石墨烯環(huán)層的寬度為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1μm～10cm、厚度為20nm～10cm。

所述的內(nèi)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、光能或核能。

所述的多層石墨烯環(huán)層通過材料生長工藝實現(xiàn)，包括電子束蒸發(fā)、金屬有機化合物化學氣相沉淀、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)明基于石墨烯環(huán)層中費米能級可調(diào)控原理，有效節(jié)省能量，延長偽裝時間；在實現(xiàn)上，采用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了光學隱身斗篷的復雜度和成本，實際應用潛力大。該技術在實現(xiàn)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(fā)明提供一種基于多層石墨烯環(huán)層的可調(diào)控二維光學隱身斗篷，可以通過外加電、熱、光或磁場改變石墨烯環(huán)層這一常見材料的介電常數(shù)和磁導率分布，提供一種實現(xiàn)可調(diào)控(可開/關)二維光學隱身斗篷的新技術，使得系統(tǒng)具備結構簡單、速度快、便于操作、能耗小、實時性強和實現(xiàn)成本低等優(yōu)點。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)石墨烯環(huán)層的二維可調(diào)控光學隱身斗篷切面圖。

圖1(b)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)石墨烯環(huán)層的二維可調(diào)控光學隱身斗篷俯視圖。

圖2(a)為n層石墨烯環(huán)層(n>＝1)示意圖。

圖2(b)為二維可調(diào)控光學隱身斗篷示意圖。

圖3(a)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)石墨烯環(huán)層的二維可調(diào)控光學隱身斗篷在光學隱身功能開設狀態(tài)下(即不同石墨烯環(huán)層處于不同費米能級分布)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)石墨烯環(huán)層的二維可調(diào)控光學隱身斗篷在光學隱身功能關閉狀態(tài)下(即不同石墨烯環(huán)層處于不同費米能級分布)的光場分布情況。

圖中：1襯底層；2n層石墨烯環(huán)層(n>＝1)；3石墨烯環(huán)層；4間隔層；5小孔；6導線；7控制單元；8供能單元；9地線。

具體實施方式

為使得本發(fā)明的技術方案的內(nèi)容更加清晰，以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式。其中的材料生長技術包括：電子束蒸發(fā)，金屬有機化合物化學氣相沉淀，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離子束刻蝕等常用工藝。

實施例1

首先，通過材料生長工藝和掩模工藝，將設計好的二維石墨烯環(huán)層3和間隔層4制備在襯底1的上表面，即二維石墨烯環(huán)層3和間隔層4以x-y水平面中心為軸由內(nèi)至外在x、y軸線方向逐層周期交替延拓形成，實現(xiàn)n層石墨烯二維環(huán)層2(附圖2(a))。

其中，石墨烯環(huán)層的設計可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。

襯底對應于每個石墨烯環(huán)層處，都鉆有小孔5。小孔內(nèi)安裝導線6，導線一端連接在每個石墨烯環(huán)層處，另一端經(jīng)過控制單元7和供能單元8接地線9，通過操控控制單元7，可以調(diào)控供能單元8對每層石墨烯環(huán)層的激勵時間，進而控制不同石墨烯環(huán)層中費米能級的分布，可以使每層石墨烯環(huán)層對應不同的介電常數(shù)和磁導率系數(shù)，實現(xiàn)光學隱身所需的二維介電常數(shù)和磁導率系數(shù)分布，進而使光繞過斗篷區(qū)域后，光場恢復原來的分布，實現(xiàn)光學隱身功能。最終實現(xiàn)一種基于多層石墨烯環(huán)層的可調(diào)控二維光學隱身斗篷(附圖2(b))。

如圖3所示，當一種基于多層石墨烯環(huán)層的可調(diào)控二維光學隱身斗篷中的石墨烯的費米能級分布發(fā)生變化，其介電常數(shù)和磁導率系數(shù)分布也會發(fā)生改變，進而實現(xiàn)光傳播方向的調(diào)控，包括開啟光學隱身功能：即為處在光學隱身斗篷中心的物體屏蔽掉外界光場干擾，同時不影響外界光場分布，不被外界所探測，即光通過該隱身斗篷后不改變其場分布(如圖3(a)所示)；關閉光學隱身功能：即光通過該光學隱身斗篷后其光場分布發(fā)生改變，導致光學隱身斗篷中心處所放的物體可以被外界所探測(如圖3(b)所示)。

以上所述是本發(fā)明應用的技術原理和具體實例，依據(jù)本發(fā)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(fā)明的范圍內(nèi)，特此說明。