一种调控电磁波传输路径的复合结构材料

技术领域

本发明涉及一种调控电磁波传输路径的复合结构材料，属于光子晶体领域。

背景技术

随着隐私侵犯手段的增多，红外隐身技术在隐私保护中扮演愈发重要的角色。自我伪装通过阻碍红外波传播，有效迷惑红外探测，已成为维护个人隐私的关键策略。未来，建筑、设备等领域将广泛采用红外隐身技术，保护隐私免受侵犯。红外探测手段如微波雷达、红外摄像机的不断发展，红外隐身技术将帮助人们在多种环境下，降低被探测的风险。综合应用可见光伪装等方法，确保隐私安全，塑造安全的生活空间。现有红外隐身手段采取对红外波进行吸收的方式，但是这种方式会导致吸收体因吸收了过多的红外光波产生发热，因而激发出更多的红外波，这会导致被隐身的物体被重新暴露在探测器下。本发明中的复合结构材料可以将空间中的红外波转换为材料表面的表面波，同时将表面波沿所设计的路径传导到特定的方位用来实现红外隐身，使用本发明中的复合结构材料可以有效避免使用红外吸收体所带来的的发热问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种调控电磁波传输路径的复合结构材料；该材料利用梯度折射率超结构使入射到目标表面的探测激光完全转换为目标物体的表面传输波，再通过拓扑光子晶体结构引导表面传输波沿着预设路径传输至特定位置，以奇异折射形式出射。当电磁波入射到复合结构材料表面时，物体表面的复合结构材料能够将电磁波转换为表面波并传导到理想的区域，该复合结构材料包括梯度特异超表面和谷拓扑光子晶体两部分，该复合结构材料在无线通信和红外隐身领域将具有广泛的应用前景。

本发明的目的是通过下述技术方案实现。

一种调控电磁波传输路径的复合结构材料，通过结合梯度特异超表面和谷拓扑光子晶体，实现将三维空间中的电磁波转换为表面波并传导；且所述复合结构材料利用梯度特异超表面将入射到材料表面的电磁波转换为表面波，并通过谷拓扑光子晶体的特定路径传导到需要传导的区域，从而达到隐身效果。

谷拓扑光子晶体是由两种具有相反陈数元胞构成的光子晶体，两种元胞的谷陈数之和为零，在两种元胞组合的边界上，存在一种特殊的光子态，称为边界态，在边界态能隙中的光子能够在边界态允许的传播方向上进行传播。

谷拓扑光子晶体中的“谷”指的是光子的倒格子空间中的两个不同的能带极值点，称为K和K'点；通过计算谷空间的Berry相位的曲率得到谷陈数

梯度特异超表面能够进行转换的电磁波的频率为：

上述公式为电磁波传输到梯度特异超表面的表面时z>0的空间中的电场分布；

有益效果：

本发明通过结合梯度特异超表面和谷拓扑光子晶体，可以实现将三维空间中的电磁波转换为表面波并传导，同时具备隐身功能。具体而言，该复合结构材料可以利用梯度特异超表面将入射到材料表面的电磁波转换为表面波，并通过谷拓扑光子晶体的特定路径传导到需要传导的区域，从而达到隐身效果。利用本发明中的复合结构材料可以替代传统红外隐身材料，以解决传统红外隐身中由于吸收体吸收了过多的红外波引起的升温所导致的红外暴露问题。该复合结构材料除在无线通信和红外隐身领域有重要应用外，在光学传感和光子计算领域也具有广阔的发展前景。

附图说明

图1为本发明的一种调控电磁波传输路径的复合结构材料中的梯度特异超表面单胞示意图；

图2为特异性超表面中单胞中每一个“H”形状的示意图；

图3为梯度特异超表面的结构示意图；

图4为用15GHz的电磁波入射到所设计的梯度特异性超表面得到的电场分布图；

图5为所选的谷拓扑光子晶体的单胞的二维平面结构的示意图；

图6为散射体旋转角度为0°(实线)和30°(虚线)时的能带计算结果图；

图7为使用所选谷拓扑光子晶体拼接的armchair型边界态示意图；

图8为使用所选谷拓扑光子晶体拼接的zigzag型边界态示意图；

图9为将空间中的红外波射向梯度特异超表面转化成表面波的示意图；

图10为表面波沿所设计的谷拓扑光子晶体表面规划好的边界态进行传输的示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

本实施例中的梯度特异超表面如图1所示，对应波段为15GHz，其单胞中的每一个“H”形状如图2所示。

由

其每个“H”形状都是的参数b逐渐增大，从左到右7个的参数b

梯度特异超表面上的波矢k

用近场扫描设备将15GHz的电磁波入射至所设计的梯度特异超表面之上，入射角θ

所优选的谷拓扑光子晶体的单胞的二维平面结构如图5示，其中的白色区域为散射体，是由一个等边三角形在三个角截去圆心角为60°的扇形得到的，扇形的圆心为三角形的三个顶角，散射体是由金属制造的，背景材料为液晶，其折射率为1.6。

单胞的晶格常数

图6示为θ＝0°(实线)和θ＝30°(虚线)的能带图，当θ角度从0°发生变化时，原单胞的C

将θ＝30°以及θ＝-30°的两种光子晶体进行拼接，形成具有相反陈数元胞构成的光子晶体，在两种元胞的边界处会形成光子晶体边界态，在带隙范围内的光波，只能沿光子晶体的边界进行传播，其连接方式有两种，分别为armchair型和zigzag型，分别如图7图8。

如图9和10所示，将空间中的15GHz的红外波向所设计的梯度特异性超表面传播，红外波将由空间中的电磁波转化为超表面中的表面波，表面波将只能沿着谷拓扑光子晶体表面规划出的边界态路径进行传导，即可将表面波引入无法被红外探测器探测到的方向，实现电磁波路径的调控，进而维护个人的红外隐私。

实施例2

本实施例中的梯度特异超表面单胞形状如图l所示，对应波长为1.064ym，该红外波段在红外隐身中具有重要应用。

每个“H”形状的x方向上的周期l

每个“H”形状都是的参数如图2所示，其中b逐渐增大，从左到右7个的参数b

梯度特异超表面上的波矢k

所优选的谷拓扑光子晶体的单胞的二维平面结构如图3所示，其中的白色区域为散射体，是由一个等边三角形在三个角截去圆心角为60°的扇形得到的，扇形的圆心为三角形的三个顶角，散射体是由金属制造的，背景材料为液晶，其折射率为1.6。

单胞的晶格常数

将θ＝30°以及θ＝-30°的两种光子晶体进行拼接，沿光子晶体的边界将出现边界态，

将波长为1.064μm的表面波沿着光子晶体表面入射，沿着平面自由传播的表面波将只能沿着光子晶体的边界传播。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。