Результат интеллектуальной деятельности: Способ маскировки движущихся и неподвижных тел произвольной формы и состава на основе покрытия из наноструктурного композитного материала с квазинулевым показателем преломления

Область техники

Изобретение относится к области нанотехнологий. Техническим результатом этого способа является получение покрытия, обладающего способностью формирования в нем поверхностных оптических волн огибающих поверхность маскируемого тела в широком диапазоне длин волн от 450 до 1200 нанометров.

Уровень техники

Известен способ осуществления маскировки методом волнового обтекания объектов цилиндрической оболочкой из метаматериала (Schurig D., Mock J.J., Justice B.J., Cummer S.A., Pendry J.B., Starr A.F., Smith D.R. // Science. 2006. Vol. 314; No. 5801; P. 977-980). Покрытие содержало десять слоев, каждый из которых состоял из множества кольцевых резонаторов. Резонаторы каждого слоя имели свои геометрические размеры, которые были подобраны так, чтобы достичь соответствующей зависимости магнитной и диэлектрической проницаемостей, а именно , , , где a и b - внутренний и внешний радиусы цилиндрической оболочки, соответственно. Радиусы слоев выбирались таким образом, чтобы на их окружностях укладывалось по целому числу резонаторов. В качестве маскируемого объекта был взят полый проводящий цилиндр радиусом м. Маскирующий эффект приводил к уменьшению заметности маскируемого объекта, то есть проводящий цилиндр, покрытый этой оболочкой, значительно меньше рассеивал излучение, чем тот же цилиндр без оболочки.

Главным недостатком этого способа маскировки является то, что материалы, применяемые для конструирования маскирующих оболочек различной формы, обладают значительной частотной дисперсией. Это означает, что маскирующая оболочка является поглощающей средой, компоненты магнитной и диэлектрической проницаемостей сильно зависят от частоты внешнего излучения, и эффекта маскировки удается достигнуть лишь на одной или нескольких частотах.

Известно плоское маскирующее покрытие с малой дисперсией и , позволяющее уменьшить поглощение и расширить частотный диапазон, в котором наблюдается эффект маскировки (Liu R., Ji C., Mock J.J., Chin J.Y., Cui T.J., Smith D.R. // Science. 2009. Vol. 323; No. 5912; P. 366-369). Маскирующее покрытие состояло из I-элементов, имеющих нерезонансную область, в которой практически отсутствует дисперсия. Для I-элементов различных геометрический размеров эта нерезонансная область находится в радиодиапазоне до 16 ГГц. Эксперименты были проведены на четырех разных частотах 13, 14, 15 и 16 ГГц. Благодаря этому эксперименту с плоским маскирующим слоем показано, что широкополосный эффект маскировки в радиодиапазоне возможен.

Однако данный способ маскировки не позволяет замаскировать движущийся или неподвижных объект во всем видимом диапазоне длин волн.

Известен способ маскировки (Tretyakov S.A., Alitalo P., Luukkonen O, Simovski C. // Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 103; P. 103905), когда металлический объект в форме цилиндра, окруженный гофрированной маскирующей оболочкой, помещается в прямоугольный волновод. Оболочка представляла собой набор металлических пластин в виде усеченных конусов, надеваемых на цилиндр. В результате оболочка вблизи цилиндра представляла собой периодическую последовательность радиальных волноводов с переменной толщиной. При возбуждении в основном волноводе волны с электрическим полем, направленным вдоль оси цилиндра, наблюдается маскировочный эффект, а именно волна, обогнув рассеиватель, восстанавливала свою форму, причем эффект наблюдался в диапазоне частот от 2 до 4 ГГц.

Данный же способ маскировки не позволяет замаскировать движущийся или неподвижный объект произвольной формы и состава в свободном пространстве во всем видимом диапазоне длин волн.

Предлагаемый способ лишен недостатков перечисленных выше методов маскировки.

Задачей изобретения является получение маскирующего покрытия, которое позволяет обеспечить обтекание естественным светом поверхности неподвижного или движущегося тела произвольной формы и состава в диапазоне длин волн от 450 до 1200 нм.

Поставленная цель достигается за счет того, что при падении на маскируемый объект, покрытый композитным материалом с квазинулевым показателем преломления, внешнего излучения по поверхности маскируемого тела распространяется световая волна при различных углах падения света и длинах волн в интервале от 450 до 1200 нм независимо от оптических свойств этого тела.

Способ поясняется показанной на фиг. 6 схемой огибания светом поверхности маскируемого тела.

Анализ экспериментальных спектров отражения и пропускания слоев с квазинулевым показателем преломления (фиг. 1 - 4) показывает, что эти материалы обладают квазинулевым показателем преломления в диапазоне длин волн от 450 до 1200 нм, т.е. во всем видимом и ближнем ИК-диапазонах.

На фиг. 1 представлены спектры отражения структур (PMMA + Ag) / glass по отношению к отражательной способности стекла без покрытия: 1 - толщина композитной пленки ; 2 - толщина PMMA пленки ; 3 - оптический спектр структуры (PMMA + Ag) / glass, толщина композитной пленки .

На фиг. 2 представлены спектры отражения коллимированного пучка света в относительных единицах полимерной пленки (a) и композитной пленки (b) на стекле толщиной 17 , угол падения . Весовое содержание серебра в композите 5%.

На фиг. 3 представлены спектры отражения полимерной пленки (a) и композитной пленки (b) толщиной при нормальном падении света. Весовое содержание серебра в композите 3%.

На фиг. 4 представлены спектры пропускания в относительных единицах полимерной пленки (a) и композитной пленки (b) толщиной при нормальном падении света. Весовое содержание серебра в композите 3%.

На основе данных, полученных из анализа экспериментальных спектров и разработанного теоретического подхода, выведены формулы для нефренелевских амплитуд отражения и пропускания света на границах слоя с квазинулевым показателем преломления для случая s-поляризованных волн

, ,

, ,

, . (1)

Для случая p-поляризованных волн учитывая две p-поляризованные волны при отражении и преломлении света на границе имеем следующие соотношения:

, ,

, ,

, ,

, ,

, , (2)

где - показатель преломления входной среды, откуда падает внешнее излучение, , - угол падения, - угол, определяемый с помощью равенства , - угол преломления света в слое. При формулы (1), (2) совпадают с соответствующими френелевскими формулами (Борн М., Вольф Э. // Основы оптики. М.: Наука, 1973. 720 с.).

В случае комплексных углов преломления света в слое , затухание поверхностных волн на границе слоя происходит внутрь маскирующего слоя.

После необходимых вычислений получим следующую формулу для x-

составляющей световых потоков на границе раздела двух сред вакуум - оптическая среда с квазинулевым показателем преломления

(3),

где соответствующие слагаемые в формуле (3) имеют следующий вид:

,,

,

,(4)

где коэффициенты и для s- и p-поляризованных волн определяют поле внутри слоя, , и - коэффициенты отражения слоя для p и двух s- поляризованных волн, - нормирующий множитель.

Поток соответствует доле светового потока, распространяющегося вдоль оси x со стороны внешней поверхности слоя. представляет собой долю светового потока, распространяющегося вдоль оси x с внутренней стороны границы 1-2 слоя, - доля светового потока, распространяющегося вдоль оси х со стороны границы 2-3 слоя, - соответствующая доля светового потока, обусловленная интерференцией световых потоков от границ 1-2 и 2-3 слоя. На фиг. 5 представлен суммарный световой поток, распространяющийся вдоль поверхности маскирующего слоя, из которого видно, что при малых углах падения света возможно значительное преобразование внешнего светового потока в волну, огибающую поверхность и обеспечивающую маскировку тела, методом волнового обтекания.

Способ маскировки осуществляется следующим образом.

Вначале на поверхность маскируемого произвольной формы и состава тела наносится зеркальное покрытие из серебра или алюминия, а затем наносится слой с квазинулевым показателем преломления, представляющий собой диэлектрическую матрицу из полиметилметакрилата или силикатного стекла с равномерной концентрацией наночастиц серебра, обладающих радиусом 2.5 - 5 нм, поверхность которых стабилизирована стабилизирующей оболочкой, показатель преломления которой совпадает с показателем преломления диэлектрической матрицы. Весовое содержание серебра в композитном материале %.

Нанесение пленки происходит методом пневматического распыления с последующей сушкой при 60° в течение суток, чем достигается равномерное распределение наночастиц серебра по глубине пленки и по ее поверхности.

На фиг. 6a представлена схема взаимодействия внешнего излучения с непрозрачным телом, согласно которой наблюдатель A не видит наблюдателя B, находящегося в тени маскируемого тела. На фиг. 6.1b представлена схема огибания светом маскируемого тела, при которой наблюдатель B видит наблюдателя A, со стороны которого поступает свет.

Известно (Колтун М.М. // Оптика и метрология солнечных элементов. М.: Наука, 1985, 280 с.), что спектр солнечного излучения распределен по длинам волн таким образом, что его максимум приходится на 470 нм. Как видно из фиг. 5, максимум светового потока вдоль поверхности тела находится вблизи максимума солнечного спектра и в этой области длин волн будет происходить наиболее эффективное преобразование солнечного излучения в световой поток, огибающий маскируемое тело.

Необходимым условием маскировки является условие, при котором свет, исходящий из источника в месте расположения наблюдателя A, не изменяет своих свойств. Иными словами, внешнее излучение в месте расположения наблюдателя A доходит до наблюдателя B так, как и в отсутствие маскируемого тела.