[实用新型]基于石墨烯相位梯度超表面的全极化隐身地毯

说明书

本实用新型公开了一种基于石墨烯相位梯度超表面的全极化隐身地毯，相位梯度超表面自下而上包括金属基底层，电介质层，石墨烯结构层，离子凝胶层和金属电极，所述石墨烯结构层包括内外径尺寸不均一的石墨烯环阵列，以在超表面界面不同位置引入不同的相位突变，获得特定相位空间分布，以此控制反射波或者透射波的传播方向。通过在石墨烯结构层周期排列内外径不同的石墨烯环，可以实现基于相位梯度超表面的隐身地毯。该超表面隐身地毯对入射波的极化状态不敏感，任意极化的电磁波均有效，并且由于石墨烯灵活可调的电磁特性，可实现隐身工作带宽的动态可调谐，显现出宽波带、宽角域、全极化的隐身效果。

技术领域

本实用新型涉及新型人工电磁材料与电磁波调控技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯相位梯度超表面的全极化隐身地毯。

背景技术

近年来,以超材料和超表面为代表的人工电磁材料及结构的研究引起了学术界的广泛关注。通过设计不同的超材料与超表面结构,人们可以在微波至可见光频段内实现对电磁波强度、相位、极化方式和传播模式等的灵活控制，用于制造多种电磁波或光学器件。

超表面是超材料的二维形式，由亚波长人工电磁结构按照一定排列方式构成。相比超材料，超表面具有结构简单、容易制作、方便集成等特性，具有巨大的应用潜力。相位梯度超表面是一类能使入射波相位发生突变的超表面。传统的电磁波或光学元件是利用电磁波(光)在介质传播过程中光程的积累作用来实现相位的调控，而相位梯度超表面能够在亚波长尺度的传播距离中实现相位突变。通过对相位梯度超表面的设计，可以在界面不同位置引入不同的相位突变，获得特定的相位空间分布，以此控制反射波或者透射波的传播方向。相位梯度超表面突破了传统的反射和折射定律，可实现异常反射和折射，用于构建多种新颖的电磁波调控器件，在隐身、通信、全息成像、平面透镜等领域显现出广泛的应用前景。

从电磁相位的产生机理角度，电磁超表面可以分为利用微结构的共振响应的共振相位超表面和利用微结构各向异性响应的几何相位超表面。前者的相位突变来自结构共振，由不同结构尺寸的单元组成，例如最早由哈佛大学F.Capasso课题组提出的V型金属微结构，以及复旦大学周磊课题组提出的渐变的H形金属微结构，均通过改变单元部分结构尺寸，在线极化波的激励下使反射波相移覆盖0～2π范围；而几何相位超表面是由具有不同旋转角度的相同人工微结构构成，例如依次排列的不同旋转角度的金属棒或金属狭缝，用于对圆极化波的相位调控。

偏振或极化是电磁波最重要的物理特征之一，由于电磁响应对电磁谐振单元结构的依赖性，现有的超表面结构大多具有各向异性的结构特点，仅在特定极化的电磁波照射下产生特定电磁响应，这使得基于超表面构建的功能器件普遍具有极化敏感性，无法对不同极化波都实现同样的相位调制效果，限制了相位梯度超表面器件的应用范围。

电磁超表面通常由金属微结构构成，为了克服金属在高频段的损耗，近几年又发展了基于高介电陶瓷、硅、二氧化钛等材料的电介质超表面。无论是金属或电介质的超表面，一旦制造完成，其电磁性能就很难改变。为了拓展超表面的工作带宽，提高超表面器件的性能，研究者进一步探索将有源器件或功能性材料与传统超表面集成，借助环境温度、力、光、电以及磁场等的变化来改变超表面的电磁参数，开发能够动态操控电磁波的可调谐或可重构超表面。东南大学崔铁军研究组提出的可编程超表面，就是利用加载的变容二极管调控不同单元的电磁谐振，实现了许多新功能，为相位梯度超表面的设计提供了新思路。然而在太赫兹至红外和可见光频率范围，尺寸的急剧小型化使得对单元加载有源器件来控制相位难以实现。

石墨烯是实现可调谐或可重构超表面的理想材料。与构建超表面的传统材料—金属、电介质不同，石墨烯的电导率可以通过偏压、电场、磁场、化学掺杂或者光致掺杂控制石墨烯费米能(载流子浓度)来灵活调控。由于载流子迁移率高，石墨烯还是优良的等离子体材料,在太赫兹至中红外波段支持强局域的表面等离激元共振。石墨烯在构建高性能可调谐太赫兹及红外超表面器件方面显现出诱人的应用前景。

实用新型内容