[发明专利]一种基于多层石墨烯环层的可调控三维光学隐身斗篷

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于多层石墨烯环层的可调控三维光学隐身斗篷的实现方法和装置，可应用于光波传播方向的控制。

背景技术

2006年，文献1：“J.B.Pendry et al,SCIENCE,2006(312):1780”首次提出利用异向介质能够操控光波的传播方向，实现光学隐身衣概念，引起了人们的广泛关注，成为光学领域的研究热点。同年，文献2：“D.Schurig et al,SCIENCE,2006(314):977”在微波段首次实验验证了横电波二维超材料隐身斗篷。2007年，文献3：“Cai et al,Nature Photonics,2007(1):224”提出了横磁波二维超材料隐身斗篷。2010年，文献4：“Ma et al,Nature communications,2010(1):124”提出了基于介质板的二维孔阵列实现了电磁波的隐身效果。但是，目前光学隐身结构的设计，大多基于二维平面结构模型仿真和实验测试，三维光学隐身斗篷则鲜有报道。

另外，目前的光学隐身斗篷还不具备可调谐的功能(即光学隐身的开/关功能)，换句话说光学隐身斗篷的结构一旦确定以后其隐身性能将会一直存在是不能改变的，其主要原因是缺乏介电常数和磁导率系数可以被主动实时调控的天然材料，这直接制约着光学隐身技术的进一步发展。因此需要设计一种简单实用的方法对光学隐身斗篷的光学隐身功能进行调谐，他将对光学隐身斗篷的实际应用具有非常重要的意义，大大推进其实用化进程。

石墨烯材料是目前研究得最多、最为成熟的二维材料。在外界光、热、电、磁或者应力的作用下，石墨烯材料的费米能级大小和位置可以被主动调谐，而伴随着石墨烯材料的费米能级大小和位置的改变，其介电常数和磁导率也会发生可逆性改变。

本发明提供一种基于多层石墨烯材料的可调控光学隐身斗篷。该三维可调控光学隐身斗篷通过石墨烯组成的表面覆盖壳层实现。其中，表面覆盖壳层为多个石墨烯环层自下而上叠加构成，通过控制不同环层中石墨烯的费米能级分布，可以使每层对应不同的介电常数和磁导率系数，获得光学隐身所需的三维介电常数和磁导率系数分布，进而使光绕过斗篷区域后，光场恢复原来的分布，实现光学隐身功能。同时，通过循环控制每个石墨烯环层中的费米能级大小和位置，实现光学隐身斗篷的实时开/关性能，从而克服了二维光学隐身斗篷不能开关的缺点。本发明基于石墨烯环层的费米能级被循环主动调谐的原理，可以有效节省能量，延长伪装时间；在实现上，采用电、光控开关等广泛使用的器件，显著降低了光学隐身斗篷的复杂度和成本，实际应用潜力大。使用本发明技术，可以使光学隐身斗篷在大多数时间内处于关闭状态(即不隐身)，使对方探测到一些无效光学信息，而在需要的时候开启隐身功能让对方探测不到其光学信号，有效隐藏各种重要信息，麻痹敌方，使我方行动具有突然性。该技术在实现光幻想、迷惑红外光学检测器、和在军事和民用等光学隐身设备中具有巨大应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有光学隐身斗篷大多基于二维平面结构、和光学隐身斗篷的隐身功能不具备可调谐性(即不能开/关光隐身功能)的缺点，利用石墨烯这一常见材料，提供一种实现可调控(可开/关)三维光学隐身斗篷的新技术，使得系统具备结构简单、速度快、便于操作、能耗小、实时性强和实现成本低等优点。

本发明的技术方案：

一种基于多层石墨烯环层的可调控三维光学隐身斗篷，包括衬底层、间隔层、石墨烯环层组成的表面覆盖环层、内部支撑壳、控制单元和供能单元；表面覆盖环层为多个石墨烯环层自下而上叠加构成，每个石墨烯环层之间均有间隔层隔离；内部支撑壳处于多层石墨烯环层内侧，用于承载多层石墨烯环层，被隐藏的目标放置于内部支撑壳的腔内；内部支撑壳与石墨烯环层接触，同时内部支撑壳对应于每个石墨烯环层处都钻有小孔，小孔孔径为1μm～1cm、深度为1μm～10cm；小孔内安装导线，导线一端连接在石墨烯环层上，另一端依次经过控制单元和供能单元接地，通过操控控制单元，可以调控供能单元对每层石墨烯环层的激励时间，进而控制不同石墨烯环层中石墨烯的费米能级分布，可以使每层石墨烯环层对应不同的介电常数和磁导率系数，实现光学隐身所需的三维介电常数和磁导率系数分布，进而使光绕过斗篷区域后，光场恢复原来的分布，实现光学隐身功能。

所述的石墨烯环层的形状是半球体、圆锥体、余弦体、正弦体、圆柱体、半椭圆体、正方体、矩形体或六边体，每一个石墨烯环层可独立控制和工作；所述的石墨烯环层是由M层碳原子层构成，其中1≤M≤1000，其宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。