[發明專利]三維全介質非諧振超材料結構器件的一體化設計與制造工藝

有效

• 申請號: 201110270754.5
• 申請日: 2011-09-14
• 公開（公告）號: CN102393865A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發明（設計）人: 李滌塵;田小永;殷鳴
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

1.三維全介質非諧振超材料結構器件的一體化設計與制造工藝，其特征在于，包括以下步驟：

1)根據超材料結構器件的設計要求，對其進行三維外形宏觀結構設計，獲得宏觀輪廓模型；

2)根據外部輪廓模型，通過基于變換光學原理及擬共形映射理論的數值計算方法，計算并獲取三維超材料結構器件的電磁波折射率空間分布圖；

根據超材料結構器件需求的電磁波工作頻段，由等效介質理論確定工作頻段波長與離散單元大小的比例，并對計算所得折射率空間分布圖按相應的離散單元大小進行離散化處理，獲得每個離散單元處的等效電磁波折射率；

3)采用十字交叉柱或金剛石光子晶體結構為離散單元處的微觀單元結構，然后由等效介質理論計算微觀單元結構的占空比與其等效電磁波折射率之間的關系；

4)按照三維超材料結構器件的電磁波折射率空間分布，根據微觀單元結構的占空比與其等效電磁波折射率之間的關系，用具有對應折射率的超材料微觀結構單元對相應的離散單元處進行填充，再將離散化的空間單元結構進行連接處理及拓撲設計，從而實現三維超材料結構器件的一體化設計，獲得三維超材料結構器件的三維數據模型文件；

5)將三維數據模型文件轉換為光固化快速成型系統能夠識別的文件，導入到光固化快速成型系統中，以液體光固化樹脂為原料，采用分層光固化的方法制備樹脂基的三維超材料結構器件；

6)在樹脂基的三維超材料結構器件上加裝相關輔助零件，完成三維全介質非諧振超材料結構器件的制備。

2.如權利要求1所述的三維全介質非諧振超材料結構器件的一體化設計與制造工藝，其特征在于，所述的三維超材料結構器件的電磁波折射率空間分布由數值計算n²＝ε＝1/det(A)得到，其中n為折射率，ε為等效介電常數，A為擬共形映射數值計算過程中兩轉換空間的雅各比矩陣，det(A)為其行列式值。

3.如權利要求1所述的三維全介質非諧振超材料結構器件的一體化設計與制造工藝，其特征在于，所述的計算微觀單元結構的占空比與其等效折射率之間的關系為：

首先計算十字交叉柱單元結構或金剛石光子晶體單元結構的相應特征尺寸與其介質占空比的關系；

然后再根據等效介質理論，由公式ε＝f+ε_d(1-f)計算微觀單元結構的結構特征尺寸與對應的等效電磁波折射率之間的映射關系，其中ε為等效介電常數，f為介質占空比，ε_d為待填充的光敏樹脂材料介電常數。

4.如權利要求1所述的三維全介質非諧振超材料結構器件的一體化設計與制造工藝，其特征在于，還將離散化的空間單元結構進行周期化連接處理及三維拓撲設計。

5.如權利要求1所述的三維全介質非諧振超材料結構器件的一體化設計與制造工藝，其特征在于，具體包括以下步驟：

1)根據超材料結構器件的結構及尺寸的設計要求，對其進行三維外形宏觀結構設計，獲得其外部輪廓模型；

2)根據外部輪廓模型，利用變換光學原理及擬共形映射理論，由數值計算n²＝ε＝1/det(A)三維超材料結構器件的電磁波折射率空間分布，其中n為折射率，ε為等效介電常數，A為擬共形映射數值計算過程中兩轉換空間的雅各比矩陣，det(A)為其行列式值；

3)根據超材料結構器件需求的電磁波工作頻段，由等效介質理論確定工作頻段波長與離散單元的大小比例，并對計算所得折射率空間分布圖按相應的離散單元大小進行離散化處理，獲得每個離散單元處的等效電磁波折射率；

4)采用十字交叉柱或金剛石光子晶體結構為離散單元處的微觀單元結構，計算十字交叉柱單元結構或金剛石光子晶體單元結構的相應特征尺寸與其介質占空比的關系，再根據等效介質理論，由公式ε＝f+ε_d(1-f)計算基本結構單元的結構特征尺寸對應的等效電磁波折射率之間的映射關系，其中f為介質占空比，ε_d為光敏樹脂材料介電常數；

5)按照三維超材料結構器件的電磁波折射率空間分布，根據基本結構單元的結構特征尺寸與其等效電磁波折射率之間的映射關系，采用具有相應等效折射率的結構單元來實現器件中折射率的空間分布，再將離散化的空間單元結構進行連接處理及拓撲設計，從而實現三維超材料結構器件的一體化設計，獲得器件CAD模型文件；

6)將把三維超材料結構器件的CAD模型文件轉換成STL格式文件，以STL文件的格式導入到光固化快速成型系統中，首先進行加支撐和分層處理，并將分層數據上傳至激光控制程序中，以液體光固化樹脂為原料，采用分層光固化的方法快速制備超材料結構器件，并將得到的器件沖洗干凈，除去表面殘余的液體樹脂，得到樹脂基三維超材料結構器件；

7)在樹脂基的三維超材料結構器件上加裝相關輔助零件，完成三維全介質非諧振超材料結構器件的制備。