[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

技術領域

本發明屬于微波隱形超材料技術領域，涉及利用快速成形制造技術制備微波隱形超材料，特別涉及一種三維全介質非諧振超材料結構的一體化設計與制造工藝。

背景技術

2006年6月，J.B.Pendry和D.R.Smith在美國《Science》雜志上發表文章指出，通過設計局部單元結構特征，可獲得具有特定電磁波折射率(“正”或者“負”)空間梯度分布的超材料結構，從而實現對電磁波傳播方向的控制。同年11月，D.R.Smith研究小組采用開口諧振環構造出了二維環狀的超材料結構，首次通過實驗驗證了在微波頻段電磁波隱形的可行性。這一新的發現被美國《Science》雜志評為2006年度十大科技突破之一。目前，超材料用于電磁波隱形還停留在理論研究與實驗驗證階段，離實際應用還有很長一段距離，該技術一旦獲得突破將在武器裝備隱形和偽裝中大有用武之地，實現真正意義上的電磁波隱形飛機、隱形潛艇、隱形航天器將不再是夢想。在民用方面，超材料對未來通信、雷達、微電子及醫學成像方面將產生重要的影響，如重要設備的微波防護，具有獨特性能的各種微波器件如超級透鏡(龍伯透鏡、伊頓透鏡)、諧振器等。如果折射率可控的超材料研究獲得突破并向器件方向發展，那么它將會給人們的生活帶來極大的變革，具有很大的經濟與社會意義。

自然界中不存在這種非均勻結構的超材料，所有超材料結構均需根據實際需求進行設計與制造，因此，具有折射率梯度的超材料結構設計和制造工藝成為電磁波隱形領域的研究熱點與難點。電磁場的可控性與超材料的宏觀結構、折射率梯度分布、材料介電常數有關，而折射率的梯度分布又由超材料單元的微觀特性、結構參數等因素決定。鑒于超材料的微觀單元結構/空間拓撲結構/外形的多樣性和復雜性，使得制造能夠控制電磁波傳播方向的超材料結構面臨著巨大的挑戰。

目前，超材料單元結構主要以開口諧振環單元為基礎，其只能在單一頻率工作，且損耗較高。逐漸發展的全介質非諧振超材料，具有高效率、低損耗、寬頻以及各項同性等特征。典型的非諧振超材料結構及其制造工藝主要有逐層堆積工藝、微納制造工藝和快速成形工藝等。逐層堆積工藝主要采用介質板(F4B-聚四氟乙烯)作為原材料，通過逐層制造具有典型結構的單元層(如打孔等方法)，而后再逐層堆積的方式來組裝成所需的超材料結構，最終構造出一個在二維空間各向同性的“地毯式隱形”(Carpet?Cloak)超材料結構，此種工藝主要由杜克大學的Smith教授團隊和我國東南大學的崔鐵軍教授團隊采用；微納制造工藝主要是采用微機械加工、電子束刻蝕等技術，以Si層為原材料進行加工，獲得在光學頻段有效的“地毯式隱形結構”；德國卡爾斯魯厄工業大學(Karlsruhe?Institute?of?Technology)Wegener教授研究團隊采用激光直寫(Direct?laser?writing)的方法，制造出了具有堆積木微觀結構的三維超材料，首次將快速成形技術應用到了超材料的制造工藝當中，實現了在波長1.4～2.7微米范圍內對非偏振光的隱形。此結構是一種具有三維微觀結構的宏觀二維平板“地毯式隱形”結構。

現有工藝所制備的“地毯式隱形”(Carpet?Cloak)結構，宏觀上來講均是二維平板結構，此結構與J.B?Pendry在“可控電磁場”一文中所提出的宏觀三維隱形結構相去甚遠。要實現真正三維超材料，必須在介質材料與加工工藝方面有所突破，來解決復雜微觀/宏觀外形所帶來的三維超材料結構的制造難題。另外，現有工藝難以實現超材料結構的器件化，目前所有超材料的宏觀結構均比較簡單，無法直接用在電磁波隱形器件上。要實現超材料的器件化，必須要解決其復雜的外部宏觀結構與內部微觀結構一體化設計與制造問題。

發明內容

本發明解決的問題在于提供一種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，充分發揮快速成形制造技術的一體化設計與制造優勢，在微波頻段(GHz)實現全介質非諧振三維超材料結構的一體化設計與制造。

本發明是通過以下技術方案來實現：

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，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；