专利名称：三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于微波隐形超材料技术领域，涉及利用快速成形制造技术制备微波隐形超材料，特别涉及一种三维全介质非谐振超材料结构的一体化设计与制造工艺。
背景技术：
2006年6月，J. B. Pendry和D. R. Smith在美国((Science))杂志上发表文章指出， 通过设计局部单元结构特征，可获得具有特定电磁波折射率(“正”或者“负”)空间梯度分布的超材料结构，从而实现对电磁波传播方向的控制。同年11月，D. R. Smith研究小组采用开口谐振环构造出了二维环状的超材料结构，首次通过实验验证了在微波频段电磁波隐形的可行性。这一新的发现被美国《kience》杂志评为2006年度十大科技突破之一。目前，超材料用于电磁波隐形还停留在理论研究与实验验证阶段，离实际应用还有很长一段距离，该技术一旦获得突破将在武器装备隐形和伪装中大有用武之地，实现真正意义上的电磁波隐形飞机、隐形潜艇、隐形航天器将不再是梦想。在民用方面，超材料对未来通信、雷达、微电子及医学成像方面将产生重要的影响，如重要设备的微波防护，具有独特性能的各种微波器件如超级透镜(龙伯透镜、伊顿透镜)、谐振器等。如果折射率可控的超材料研究获得突破并向器件方向发展，那么它将会给人们的生活带来极大的变革，具有很大的经济与社会意义。自然界中不存在这种非均勻结构的超材料，所有超材料结构均需根据实际需求进行设计与制造，因此，具有折射率梯度的超材料结构设计和制造工艺成为电磁波隐形领域的研究热点与难点。电磁场的可控性与超材料的宏观结构、折射率梯度分布、材料介电常数有关，而折射率的梯度分布又由超材料单元的微观特性、结构参数等因素决定。鉴于超材料的微观单元结构/空间拓扑结构/外形的多样性和复杂性，使得制造能够控制电磁波传播方向的超材料结构面临着巨大的挑战。目前，超材料单元结构主要以开口谐振环单元为基础，其只能在单一频率工作，且损耗较高。逐渐发展的全介质非谐振超材料，具有高效率、低损耗、宽频以及各项同性等特征。典型的非谐振超材料结构及其制造工艺主要有逐层堆积工艺、微纳制造工艺和快速成形工艺等。逐层堆积工艺主要采用介质板(F4B-聚四氟乙烯)作为原材料，通过逐层制造具有典型结构的单元层(如打孔等方法)，而后再逐层堆积的方式来组装成所需的超材料结构，最终构造出一个在二维空间各向同性的“地毯式隐形”(Carpet Cloak)超材料结构， 此种工艺主要由杜克大学的Smith教授团队和我国东南大学的崔铁军教授团队采用；微纳制造工艺主要是采用微机械加工、电子束刻蚀等技术，以Si层为原材料进行加工，获得在光学频段有效的“地毯式隐形结构”；德国卡尔斯鲁厄工业大学(Karlsruhe Institute of "Technology) Wegener教授研究团队采用激光直写(Direct laser writing)的方法，制造出了具有堆积木微观结构的三维超材料，首次将快速成形技术应用到了超材料的制造工艺当中，实现了在波长1. 4 2. 7微米范围内对非偏振光的隐形。此结构是一种具有三维微观
4结构的宏观二维平板“地毯式隐形”结构。现有工艺所制备的“地毯式隐形”(Carpet Cloak)结构，宏观上来讲均是二维平板结构，此结构与J. B Pendry在“可控电磁场”一文中所提出的宏观三维隐形结构相去甚远。 要实现真正三维超材料，必须在介质材料与加工工艺方面有所突破，来解决复杂微观/宏观外形所带来的三维超材料结构的制造难题。另外，现有工艺难以实现超材料结构的器件化，目前所有超材料的宏观结构均比较简单，无法直接用在电磁波隐形器件上。要实现超材料的器件化，必须要解决其复杂的外部宏观结构与内部微观结构一体化设计与制造问题。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺，充分发挥快速成形制造技术的一体化设计与制造优势，在微波频段(GHz) 实现全介质非谐振三维超材料结构的一体化设计与制造。本发明是通过以下技术方案来实现三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺，包括以下步骤1)根据超材料结构器件的设计要求，对其进行三维外形宏观结构设计，获得宏观轮廓模型；2)根据外部轮廓模型，通过基于变换光学原理及拟共形映射理论的数值计算方法，计算并获取三维超材料结构器件的电磁波折射率空间分布图；根据超材料结构器件需求的电磁波工作频段，由等效介质理论确定工作频段波长与离散单元大小的比例，并对计算所得折射率空间分布图按相应的离散单元大小进行离散化处理，获得每个离散单元处的等效电磁波折射率；3)采用十字交叉柱或金刚石光子晶体结构为离散单元处的微观单元结构，然后由等效介质理论计算微观单元结构的占空比与其等效电磁波折射率之间的关系；4)按照三维超材料结构器件的电磁波折射率空间分布，根据微观单元结构的占空比与其等效电磁波折射率之间的关系，用具有对应折射率的超材料微观结构单元对相应的离散单元处进行填充，再将离散化的空间单元结构进行连接处理及拓扑设计，从而实现三维超材料结构器件的一体化设计，获得三维超材料结构器件的三维数据模型文件；5)将三维数据模型文件转换为光固化快速成型系统能够识别的文件，导入到光固化快速成型系统中，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法制备树脂基的三维超材料结构器件；6)在树脂基的三维超材料结构器件上加装相关辅助零件，完成三维全介质非谐振超材料结构器件的制备。所述的三维超材料结构器件的电磁波折射率空间分布由数值计算η2 = ε = 1/ det (A)得到，其中η为折射率，ε为等效介电常数，A为拟共形映射数值计算过程中两转换空间的雅各比矩阵，det (A)为其行列式值所述的计算微观单元结构的占空比与其等效折射率之间的关系为首先计算十字交叉柱单元结构或金刚石光子晶体单元结构的相应特征尺寸与其介质占空比的关系；然后再根据等效介质理论，由公式ε = f+ ε d(l-f)计算微观单元结构的结构特征尺寸与对应的等效电磁波折射率之间的映射关系，其中ε为等效介电常数，f为介质占空比，ε 待填充的光敏树脂材料介电常数。所述还将离散化的空间单元结构进行周期化连接处理及三维拓扑设计。所述的三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺，具体包括以下步骤1)根据超材料结构器件的结构及尺寸的设计要求，对其进行三维外形宏观结构设计，获得其外部轮廓模型；2)根据外部轮廓模型，利用变换光学原理及拟共形映射理论，由数值计算η2 = ε =l/det(A)三维超材料结构器件的电磁波折射率空间分布，其中η为折射率，ε为等效介电常数，A为拟共形映射数值计算过程中两转换空间的雅各比矩阵，det(A)为其行列式值；3)根据超材料结构器件需求的电磁波工作频段，由等效介质理论确定工作频段波长与离散单元的大小比例，并对计算所得折射率空间分布图按相应的离散单元大小进行离散化处理，获得每个离散单元处的等效电磁波折射率；4)采用十字交叉柱或金刚石光子晶体结构为离散单元处的微观单元结构，计算十字交叉柱单元结构或金刚石光子晶体单元结构的相应特征尺寸与其介质占空比的关系，再根据等效介质理论，由公式ε =f+￡d(l-f)计算基本结构单元的结构特征尺寸对应的等效电磁波折射率之间的映射关系，其中f为介质占空比，ε d为光敏树脂材料介电常数；5)按照三维超材料结构器件的电磁波折射率空间分布，根据基本结构单元的结构特征尺寸与其等效电磁波折射率之间的映射关系，采用具有相应等效折射率的结构单元来实现器件中折射率的空间分布，再将离散化的空间单元结构进行连接处理及拓扑设计，从而实现三维超材料结构器件的一体化设计，获得器件CAD模型文件；6)将三维超材料结构器件的CAD模型文件转换成STL格式文件，以STL文件的格式导入到光固化快速成型系统中，首先进行加支撑和分层处理，并将分层数据上传至激光控制程序中，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法快速制备超材料结构器件， 并将得到的器件冲洗干净，除去表面残余的液体树脂，得到树脂基三维超材料结构器件；7)在树脂基的三维超材料结构器件上加装相关辅助零件，完成三维全介质非谐振超材料结构器件的制备。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果和显著的技术优点本发明所提供的三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺，是以光固化快速原型方法为基础，在微波频段(GHz)实现全介质非谐振三维超材料结构器件的一体化设计与制造；充分发挥快速成形制造技术的一体化设计与制造优势，建立了一套面向微波隐形器件的微观单元组织与宏观三维结构一体化的设计方法。本发明采用十字交叉柱及金刚石单元结构作为基本的微观单元结构，在微波段(GHz)具有低损耗、超宽频、便于三维拓展等优点。
图1为十字交叉单元结构模型的示意图；图2为十字交叉柱单元结构柱半径R与对应的等效电磁波折射率之间的映射关系图3为基于十字交叉单元的隐身地毯模型的示意图；图4为金刚石光子晶体单元结构模型的示意图；图5为金刚石光子晶体结构晶格格点连接柱半径R与对应的等效电磁波折射率之间的映射关系图；图6所示为基于金刚石光子晶体单元的隐身地毯模型的示意图；
具体实施例方式本发明是以光固化快速原型方法为基础，提供了三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺。下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。实施例1采用十字交叉柱结构(参照图1)为基本微观单元进行隐身地毯设计与制造，具体包括以下步骤1)超材料结构器件的结构为隐身地毯，尺寸的设计要求宏观尺寸为长125mm，高 48mm,厚9mm，设计隐形区域为长125mm，高13mm的等腰三角形；对其进行三维外形宏观结构设计，获得其外部轮廓模型；2)依据步骤1)中所设计隐形地毯宏观外形结构及尺寸，用变换光学原理及拟共形映射理论计算隐身地毯的隐形区域的折射率空间分布，具体的隐形区域的折射率空间分布由以下公式进行计算η2 = ε = l/det(A)；其中η为折射率，ε为等效介电常数，A为拟共形映射数值计算过程中从矩形空间到隐身地毯外形结构空间的雅各比矩阵，det(A)为其行列式值；3)设计隐形区域的工作频段中心为10GHz，采用等效介质理论确定波长与离散单元大小比例(10 1的关系)，取其离散单元大小为3mmX3mm，对计算所得折射率分布图按 3mmX 3mm的离散单元进行离散化处理，获得每个离散单元处的等效电磁波折射率；4)利用三维建模软件计算单元周期a为3mm的十字交叉柱单元结构的相应特征尺寸即晶格格点连接柱半径R与其介质占空比的关系，再根据等效介质理论，由公式ε = f+ed(l-f)计算柱半径R与对应的等效电磁波折射率之间的映射关系；其中，其中f为介质占空比，￡d为光敏树脂材料介电常数，具体以S0M0S14120(DSM)作为光敏树脂材料，ed = 3. 5，计算结果如图5所示；5)采用十字交叉柱为离散单元处的微观单元结构，根据步骤3)中所建立的柱半径R与等效电磁波折射率之间的映射关系，对步骤2)中设计所得的折射率空间分布的离散化结果进行结构实现，即采用具有相应折射率的结构单元来实现器件中折射率的空间分布，最后对这些离散化的空间单元结构进行十字交叉柱单元结构的周期化柱连接处理及三维拓扑设计，从而实现隐形地毯的一体化设计，获得器件CAD模型文件(参照图6)；6)把隐形地毯结构的CAD模型以STL文件的格式导入到光固化快速成型机 (SPS600B，陕西恒通智能有限公司)中，在计算机软件中完成分层及加支撑等前处理步骤， 以液态光敏树脂(S0M0S14120，DSM)为原材料，采用分层光固化的方法快速制备超材料结构器件，固化完成后清理未固化树脂，除去表面残余的液体树脂，得到树脂基的隐形地毯；7)将和隐身区域等大小的铝制等腰三角形电磁波反射板(长125mm，高13mm，厚9mm)嵌入树脂基的隐形地毯的隐身区域，最终获得隐形地毯结构器件。实施例2采用金刚石光子晶体结构(参照图4)为基本微观单元进行隐身地毯设计与制造， 具体包括以下步骤1)超材料结构器件的结构为隐身地毯，尺寸的设计要求宏观尺寸为长250mm，高 96mm,厚6mm，设计隐形区域为长250mm，高^mm的等腰三角形；对其进行三维外形宏观结构设计，获得其外部轮廓模型；2)依据步骤1)中所设计隐形地毯宏观外形结构及尺寸，用变换光学原理及拟共形映射理论计算隐身地毯的隐形区域的折射率空间分布，具体的隐形区域的折射率空间分布由以下公式进行计算η2 = ε = l/det(A)；其中η为折射率，ε为等效介电常数，A为拟共形映射数值计算过程中从矩形空间到隐身地毯外形结构空间的雅各比矩阵，det(A)为其行列式值。3)设计隐形区域的工作频段中心为5GHz，取其离散单元为6mmX6mm，采用等效介质理论确定波长与离散单元大小的关系(10 1的关系)，取其离散单元大小为6mmX6mm， 对计算所得折射率分布图按6mmX6mm的离散单元进行离散化处理，获得每个离散单元处的等效电磁波折射率；4)利用三维建模软件(ftx)/E)计算单元晶格周期a为6mm的金刚石结构光子晶体单元结构的相应特征尺寸即柱半径R与其介质占空比的关系，再根据等效介质理论，由公式￡ =f+ε d(l-f)计算柱半径R与对应的等效电磁波折射率之间的映射关系；其中，其中 f为介质占空比，ε d为光敏树脂材料介电常数，具体以S0M0S14120 (DSM)作为光敏树脂材料，￡d = 3. 5，计算结果如图2所示；5)采用金刚石结构光子晶体单元为离散单元处的微观单元结构，根据步骤3)中所建立的柱半径R与等效电磁波折射率之间的映射关系，对步骤幻中设计所得的折射率空间分布的离散化结果进行结构实现，即采用具有相应折射率的结构单元来实现器件中折射率的空间分布，最后对这些离散化的空间单元结构进行金刚石结构光子晶体单元的的周期化柱连接处理及三维拓扑设计，从而实现隐形地毯的一体化设计，获得器件CAD模型文件 (参照图3)；6)把隐形地毯结构的CAD模型以STL文件的格式导入到光固化快速成型机 (SPS600B，陕西恒通智能有限公司)中，在计算机软件中完成分层及加支撑等前处理步骤， 以液态光敏树脂(S0M0S14120，DSM)为原材料，采用分层光固化的方法快速制备超材料结构器件，固化完成后清理未固化树脂，除去表面残余的液体树脂，得到树脂基的隐形地毯；将和隐身区域等大小的铝制等腰三角形电磁波反射板(长250讓，高沈讓，厚6mm) 嵌入树脂基的隐形地毯的隐身区域，最终获得隐形地毯结构器件。
权利要求
1.三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺，其特征在于，包括以下步骤1)根据超材料结构器件的设计要求，对其进行三维外形宏观结构设计，获得宏观轮廓模型；2)根据外部轮廓模型，通过基于变换光学原理及拟共形映射理论的数值计算方法，计算并获取三维超材料结构器件的电磁波折射率空间分布图；根据超材料结构器件需求的电磁波工作频段，由等效介质理论确定工作频段波长与离散单元大小的比例，并对计算所得折射率空间分布图按相应的离散单元大小进行离散化处理，获得每个离散单元处的等效电磁波折射率；3)采用十字交叉柱或金刚石光子晶体结构为离散单元处的微观单元结构，然后由等效介质理论计算微观单元结构的占空比与其等效电磁波折射率之间的关系；4)按照三维超材料结构器件的电磁波折射率空间分布，根据微观单元结构的占空比与其等效电磁波折射率之间的关系，用具有对应折射率的超材料微观结构单元对相应的离散单元处进行填充，再将离散化的空间单元结构进行连接处理及拓扑设计，从而实现三维超材料结构器件的一体化设计，获得三维超材料结构器件的三维数据模型文件；5)将三维数据模型文件转换为光固化快速成型系统能够识别的文件，导入到光固化快速成型系统中，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法制备树脂基的三维超材料结构器件；6)在树脂基的三维超材料结构器件上加装相关辅助零件，完成三维全介质非谐振超材料结构器件的制备。
2.如权利要求1所述的三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺， 其特征在于，所述的三维超材料结构器件的电磁波折射率空间分布由数值计算η2 = ε = l/det(A)得到，其中η为折射率，ε为等效介电常数，A为拟共形映射数值计算过程中两转换空间的雅各比矩阵，det (A)为其行列式值。
3.如权利要求1所述的三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺， 其特征在于，所述的计算微观单元结构的占空比与其等效折射率之间的关系为首先计算十字交叉柱单元结构或金刚石光子晶体单元结构的相应特征尺寸与其介质占空比的关系；然后再根据等效介质理论，由公式ε = f+ ε d(l-f)计算微观单元结构的结构特征尺寸与对应的等效电磁波折射率之间的映射关系，其中ε为等效介电常数，f为介质占空比， εd为待填充的光敏树脂材料介电常数。
4.如权利要求1所述的三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺， 其特征在于，还将离散化的空间单元结构进行周期化连接处理及三维拓扑设计。
5.如权利要求1所述的三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺， 其特征在于，具体包括以下步骤1)根据超材料结构器件的结构及尺寸的设计要求，对其进行三维外形宏观结构设计， 获得其外部轮廓模型；2)根据外部轮廓模型，利用变换光学原理及拟共形映射理论，由数值计算η2= ε =1/ det(A)三维超材料结构器件的电磁波折射率空间分布，其中η为折射率，ε为等效介电常数，A为拟共形映射数值计算过程中两转换空间的雅各比矩阵，det(A)为其行列式值；3)根据超材料结构器件需求的电磁波工作频段，由等效介质理论确定工作频段波长与离散单元的大小比例，并对计算所得折射率空间分布图按相应的离散单元大小进行离散化处理，获得每个离散单元处的等效电磁波折射率；4)采用十字交叉柱或金刚石光子晶体结构为离散单元处的微观单元结构，计算十字交叉柱单元结构或金刚石光子晶体单元结构的相应特征尺寸与其介质占空比的关系，再根据等效介质理论，由公式ε =f+ε d(l_f)计算基本结构单元的结构特征尺寸对应的等效电磁波折射率之间的映射关系，其中f为介质占空比，ε d为光敏树脂材料介电常数；5)按照三维超材料结构器件的电磁波折射率空间分布，根据基本结构单元的结构特征尺寸与其等效电磁波折射率之间的映射关系，采用具有相应等效折射率的结构单元来实现器件中折射率的空间分布，再将离散化的空间单元结构进行连接处理及拓扑设计，从而实现三维超材料结构器件的一体化设计，获得器件CAD模型文件；6)将把三维超材料结构器件的CAD模型文件转换成STL格式文件，以STL文件的格式导入到光固化快速成型系统中，首先进行加支撑和分层处理，并将分层数据上传至激光控制程序中，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法快速制备超材料结构器件，并将得到的器件冲洗干净，除去表面残余的液体树脂，得到树脂基三维超材料结构器件；7)在树脂基的三维超材料结构器件上加装相关辅助零件，完成三维全介质非谐振超材料结构器件的制备。
全文摘要
本发明公开了一种三维全介质非谐振超材料结构器件的一体化设计与制造工艺，以变换光学与等效介质理论为基础，利用十字交叉柱与金刚石单胞为结构单元进行设计，获得具有超宽频、低损耗、易于三维拓展等优点三维全介质超材料结构；采用光固化快速成型工艺，在微波频段(GHz)实现全介质非谐振三维超材料结构的一体化设计与制造；建立了一套面向微波隐形器件的微观单元组织与宏观三维结构的一体化设计与制造的工艺方法。
文档编号G06F17/50GK102393865SQ20111027075
公开日2012年3月28日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者李涤尘, 殷鸣, 田小永 申请人:西安交通大学