基于变换光学原理的光调控直流变换器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种直流场的光控变换器件，属于新型人工电磁器件领域。
【背景技术】
[0002] 新型人工电磁材料作为一种新型媒质，具有自然界材料所无法比拟的特性，它的 介电常数和磁导率在特定的频段内能够实现人工可调。此外，在变换光学的理论指导下，科 研工作者们研发出许多变换器件，而且大多都可以使用新型人工电磁材料来加工制作。但 之前关于新型人工电磁材料的研究大部分停留在时谐场，鲜有静电场或者静磁场方面的研 究。时谐场的隐身器件工作频带较窄，被隐身物体的尺寸也有限。相比较而言，直流场隐身 衣由电阻网络构建而成，极限值的导电率可以轻易实现，隐身区域的灵活度也更高。 【实用新型内容】
[0003] 技术问题：本实用新型提供了一种在直流场下，由光照强度调控的光调控变换器 件。
[0004] 技术方案：本实用新型利用光敏电阻（VT20nl)构成的环形电阻网络来模拟导电 媒质，通过调节照射光强度改变径向电阻和切向电阻的阻值，来实现材料电导率的非均匀 性和各向异性。
[0005] 本实用新型的光调控变换器件，包括隐身区域、设置在所述隐身区域外侧的多层 环形电阻网络，所述环形电阻网络由切向电阻连接而成，相邻两层环形电阻网络之间由径 向电阻连接，构成同心圆网络结构，所述的同心圆网络结构中设置有光调控区域，所述光调 控区域内的切向电阻和径向电阻上均并联有光敏电阻。同一层环形电阻网络中，所有切向 电阻阻值相等，所有与该层环形电阻网络连接的径向电阻阻值也相等，径向电阻与切向电 阻的阻值不同，不同层的环形电阻网络之间，切向电阻各不相同，各自所连接的径向电阻阻 值也不相等。
[0006] 进一步的，本实用新型的直流场光控变换器件中，每个所述的光调控区域内，所有 切向电阻和径向电阻上并联的光敏电阻阻值均相等。
[0007] 进一步的，本实用新型的直流场光控变换器件中，隐身区域由金属板构成。
[0008] 本实用新型中，主体结构采用径向电阻和切向电阻相互连接形成环形电阻网络， 为实现环形电阻网络与材料的等效，对连续材料进行网格划分，网格基本单元用两种电阻 来实现。同心圆网络结构中，各切向电阻和径向电阻的阻值由下式确定：
[0009]
[0010] 其中，Δp与分别为径向上的步长和切向上的步长，σ9与分别为导体媒质 板材料径向上的电导率和切向上的电导率，h为设置同心圆网络结构的导体媒质板的厚度， P为圆柱坐标系中的径向分量，为非光调控区域的各电阻值。因此，各向异性电导率 是可以通过改变径向和切向电阻阻值来实现的。
[0011] 为了得到可调的直流超材料单元，我们给光调控区域中的原电阻并联上了一个光 敏电阻，如图2所示。因此在工作过程中，收到光照的情况下，光调控区域的切向电阻和径 向电阻的阻值会发生变化，具体阻值可根据下式计算：
[0012]
[0013] 其中，&为光敏电阻阻值，大小由光照强度控制。R。与Rφ分别为并联光敏电阻前 的径向阻值和切向阻值，R为光调控区域中并联光敏电阻的各电阻在光照下的阻值。当关 闭照射灯时，本实用新型的器件相当于直流隐身衣；当打开照射灯时，器件相当于直流幻觉 器件，而且随光照强度变化，原物体的静电特征将发生改变，可以等效为不同导电性质的物 体。
[0014] 本实用新型在圆环状电阻网络引入了并联光敏电阻，从而构成可调控的新型人工 电磁材料单元，不同强度的照射光照射整个电阻网络，获得不同网络性能，实现不同的功 能。电阻网络用网络电阻的形式模拟导电媒质，用径向和切向电阻不相等来模拟电导率非 均匀和各向异性的材料，这种方法使可调变换器件的设计变得简单直接，更加灵活。本实用 新型器件工作在静电场，不受高频响应的影响。
[0015] 有益效果：本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：
[0016] 本实用新型提供了一种基于直流超材料的多功能变换器件，将变换器件向远程控 制的多功能变换器件进行了拓展。
[0017] 相比于时谐场隐身器件，由于不受频率偏移的影响，其材料的等效电磁参数非常 稳定，抗干扰能力强，因此直流场隐身衣效果更好。并且不受频率限制，器件尺寸可以做的 很大，隐身区域的设计也就相对灵活。
[0018] 相比于单一的直流场隐身器件，本实用新型引入光敏电阻构成全新的人工电磁材 料单元实现对器件的调控，不同的条件下该变换器件拥有隐身与幻觉的双重功能。当照射 灯处于关闭状态时，为隐身衣；照射灯切换到打开状态时，起幻觉效果。
【附图说明】
[0019] 图1 (a)是基于变换光学原理的光调控直流变换器件的原理图。当关闭光源时，器 件相当于直流场隐身衣；当打开光源时，器件相当于直流场幻觉器件。而当调节照射光强度 时，随着光照强度的变化，探测器探测到的虚拟物体的尺寸和材料特性也会发生变化。
[0020] 图1(b)是基于变换光学原理的光调控直流变换器件的示意图。中心区域为被隐 身物体，环形区域起隐身效果。扇形区域起幻觉效果，会产生虚拟物体。
[0021] 图1 (c)是虚拟空间中的幻觉物体。仿真和实验时选用的几何参数均为a' = 5cm， b' = 10cm，θ=π/2。
[0022] 图2是可调直流超材料的单元结构示意图。
[0023] 图3是基于变换光学原理的光调控直流变换器件的仿真结果图。图3(a)光敏电 阻无限大时等势线分布情况。图3(b)虚拟空间无任何物体时等势线分布情况。图3(c)光 敏电阻阻值较小时等势线分布情况。图3(d)虚拟空间有扇形结构物体时等势线分布情况。 其中，扇形物体结构对称，几何尺寸为a' = 5cm，b' = 10cm，θ=π/2。
[0024] 图4是基于环形电阻网络的基于变换光学原理的光调控直流变换器件的样品图 及实验结果图。图4(a)是器件正面图，插图为电阻单元结构细节图。图4(b)是样品背面 图，插图为光敏电阻内部结构图。图4(c)是关闭照射灯时，测得的器件等势线分布图。图 4(d)是照射灯开到最大，即光照强度为740001m时，测得的等势线分布图。图4(e)是照射 灯关闭和打开两种状态下，在X= _9cm处电位分布测量对比图。
[0025] 图5(a)是光敏电阻阻值与光照强度之间的测量关系图。图5(b_e)是幻觉器件及 其虚拟幻觉物体的仿真结果图。其中，图5(b)为光照强度9261m，光敏电阻阻值590Ω时， 器件仿真图；图5(c)为图5(b)对应的虚拟幻觉物体仿真图。图5(d)为光照强度110001m， 阻值114Ω时，器件仿真图；图5(e)为图5(d)对应的虚拟幻觉物体仿真图。图5(c)和图 5(e)图中幻觉物体为对称结构，且几何尺寸均为a' = 5cm，b' = 10cm，θ=π/2。
[0026] 图中有：1一环形区域；2-扇形区域；3-光敏电阻；4一切向电阻；5-径向电阻。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合实施例和说明书附图对本实用新型作进一步的说明。
[0028] 相比传统可调人工电磁材料器件，该直流光控器件工作在直流频段，实现直流场 的隐身。本实用新型的实施例中，整个器件结构呈现圆环状，由13层电阻网络组成基本框 架，每一层上的电阻分为径向和切向电阻，同一层上的径向与切向电阻阻值不同，且不同层 的径向和切向电阻也各不相同，同一层上所有径向电阻阻值相等，所有切向电阻阻值也相 等。由内向外第3和第4层上的扇形区域为光调控区域，该区域的径向和切向电阻两端均 并联了相同的光敏电阻，构成光调控结构单元。中间圆形空白区域为隐身区域，由纯金属构 成。器件远端放置照明可见光，当照射灯关闭时，光敏电阻阻值大，器件具有直流隐身衣的 功能；当照射灯打开时，单元结构受光照强度调控，原物体的静电特征发生改变，可等效为 不同导电性质的物体，实现直流幻觉器件的功能。
[0029] 时谐场中，我们通过设计媒质的介电常数与磁导率来调控电磁波；而直流场中，我 们则通过设计媒质的电导率来达到调控电流的目的。
[0030] 假设原空间（X，y，Z)与新空间（X'，y'，Z'）变换关系为
[0031]X，=X，（X，y，z)，y，=y，（x，y，z)，z，=z' (x,y,z)
[0032] 拉普拉斯方程在新坐标系下形式保持不变。因此，在变换空间，材料电导率为
[0033]
[0034] 其中，Λ为雅克比变换矩阵。
[0035] 最典型的调控电流例子就是直流隐身衣。一个完美的直流隐身衣能够引导电流光 滑地绕过内部隐身物体并回到原来的传播方向上去，就像内部不存在导电材料一样。为了 设计直流隐身衣，虚拟空间与物理空间的坐标变换如下