复杂结构超材料幻觉光学器件快速制造方法及其性能研究

Illusion optics devices with great scientific importance and military value have become a research hotspot as a typical application of metamaterials. The diversity and complexity of the structure, material and macroscopic geometry in illusion optics devices has made the fabrication of metamaterials a great technological challenge. The fabrication of complex three dimensional structured illusion optics devices based on metamaterials has become a bottleneck to its further development. This project focuses on the controllable fabrication method of complex three dimensional multi-dielectric coupled illusion optics devices based on metamaterials in microwave region based on rapid prototyping of stereolithography. The arbitrary control of electromagnetic waves can be achieved by studying the influence of unit structural dimension and dielectric constant on the performance of microwave illusion optics devices and establishing the method of realizing the gradient refractive index by controlling the microscopic unit geometry and dielectric constant of multi-dielectric. The project also explores the theoretical design and modeling method of illusion optic devices based on three dimensional metamaterials and the establishment of the integrated fabrication method of microscopic unit structure and macroscopic complex three dimensional structures of microwave illusion optic devices. The project will finally promote the application of metamaterials on illusion optics with the study of new functionalities of illusion optics devices by taking full advantage of rapid prototyping on the fabrication of three dimensional structures.

幻觉光学器件作为超材料结构的一个典型应用，正成为该领域的一个研究热点，它的研究具有重大的科学意义和广泛的军事应用价值。幻觉光学器件的结构/材料/外形的多样性和复杂性，使得其制造成为一项巨大的挑战。三维复杂结构超材料幻觉光学器件的制造更是成为制约其发展的瓶颈。本项目以光固化快速成形技术为基础，在微波频段开展多介质耦合三维复杂结构超材料幻觉光学器件的可控制造方法研究；充分认识微观结构单元几何尺寸和介电常数对其幻觉光学性能的作用规律，建立联合控制微观结构单元几何尺寸和多介质介电常数获得折射率梯度分布的方法，实现对电磁波的任意控制；探索面向三维超材料幻觉光学器件的理论设计和建模方法；建立面向功能需求的微波幻觉光学器件的微组织与宏观三维结构的集成制造方法，充分发挥快速成形技术在三维制造方面的优势，研究超材料幻觉光学器件的新性能，推动超材料结构在幻觉光学领域的应用。

幻觉光学器件作为超材料结构的一个典型应用，是该领域的一个研究热点。其幻觉性能包括光子晶体产生的禁带、隐身幻觉、目标数量和属性幻觉、旋转和空间位置变化幻觉等，研究具有重大的科学意义和广泛的军事应用价值。.本项目围绕超材料结构幻觉光学器件的快速制造方法及其性能开展研究，取得以下成果：1）研究了多区域分步填充陶瓷浆料实现多介质耦合复杂结构陶瓷零件的快速制造工艺，发现颗粒级配使陶瓷浆料的固相含量达到60 vol.%时仍具有较好地流动性，采用冷冻干燥工艺使陶瓷零件的干燥收缩率控制在1%以内，烧结收缩率控制在3%左右，为超材料性能研究提供了有力地制造技术保证。2）研究了多介质耦合对光子晶体带隙性能的影响规律。实验研究发现：通过制造多种陶瓷耦合光子晶体结构，控制其中一种陶瓷的种类，可拓宽其带宽，实现其带隙性能的可控性。多介质耦合光子晶体结构的制造为拓宽光子晶体带宽，实现其带隙的可控性能提供了新途径。3）提出并建立了三维声隐身超材料结构的线性变换模型，基于3D打印技术制备了该隐身结构，实现了全方向、大区域、低频宽带(500-5000Hz)隐身特性，采用自然材料构造超材料结构，具有质量轻、频带宽、性能强的特点，解决了隐身频带窄及二维结构仅能在特定方向产生隐身性能等制约其向实用化方向发展的瓶颈问题。4）提出了水下分层背景中隐身技术的研究思路，建立水下分层背景介质的径向隐身理论模型，设计并验证了分层海水背景中定向隐身结构的低频宽带（600-3000Hz）隐身性能，建立隐身性能余弦相似度的评价方法，隐身性能的声压与自由空间中余弦相似度达92-98%，为声隐身幻觉技术在潜艇中的应用奠定了基础。5）设计并研究了旋转、空间位置变换等雷达幻觉器件。应用径向与角度方向的复合线性变换，设计了可产生双负参数的空间结构。当辐射源位于器件内外层不同位置时，可实现辐射源的旋转和位置变换幻觉性能及多指向性幻觉性能，该设计为雷达幻觉设备的研发提供了理论上的可行性。.本项目充分发挥3D打印技术在三维制造方面的优势，探索面向超材料幻觉光学器件的理论设计和建模方法；建立面向功能需求的幻觉光学器件的微组织与宏观三维结构的集成制造方法，推动超材料结构快速向应用方向发展。