一种激发表面等离子体激元的结构、方法和电磁波探测隐身装置、方法

1.本发明涉及表面等离子体激元技术领域，具体涉及一种激发表面等离子体激元的结构、方法和电磁波探测隐身装置、方法。


背景技术：

2.表面等离子体激元(surface plasmon polaritons，简称spp)是指在金属与介质界面上，自由电子与光子形成的高度约束的激发态倏逝波，沿spp特性材料与介质的分界面传播，由于材料中自由电子振荡的天然损耗和结构带来的耗损，spp传播过程中会沿传播方向(纵向)衰减，光频段一般能传几十上百微米，且电磁场在界面的垂直方向(横向)呈指数衰减。
3.表面等离子体激元的激发形式分为光子激发和自由电子激发。光子激发是指激励源中的电磁波与材料中的自由电子相互作用，激发形成的表面电磁振荡，主要应用于传感器、显微成像、微纳加工、太阳能电池等领域。自由电子激发是指激励电子束的投射场与材料中的自由电子相互作用，激发形成的表面电磁振荡，主要应用于材料内部电子振荡特性研究和高功率辐射源器件。
4.此外，spp也可用于光学红外隐身领域。但由于低频段(太赫兹波段和微波波段)电磁波的频率显著低于金属的等离子频率和渐进频率，金属表现为理想电导体，在低频段难以激发spp。为此现有技术中提出了在金属表面刻蚀周期性的孔洞和凹槽，形成耦合的表面结构，从而降低了金属表面的等效等离子体频率和渐进频率，在太赫兹波段实现了spp的激发。但是雷达一般采用微波进行探测，现有的spp仍然难以应用至雷达隐身领域。
5.凭借质量轻、可调控和不影响气动性能等优点，等离子体隐身技术从材料隐身、外形隐身等隐身技术中脱颖而出。气体放电等离子体内部由大量独立存在的自由电子、带正电的离子以及不带电的中性粒子组成。利用等离子体的特殊电磁特性可以引起对不同频段电磁波的传播产生折射、吸收和反射。如今这项技术被应用于微波波段的雷达隐身领域。但目前业界并未对等离子体阵列结构激发spp现象进行研究，基于spp的等离子体隐身技术在国内外尚处于空白。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服背景技术中存在的上述缺陷或问题，提供一种激发表面等离子体激元的结构、方法和电磁波探测隐身装置、方法，该电磁波探测隐身装置可在微波频段下在金属表面激发表面等离子体激元，从而实现微波频段下的雷达探测隐身。
7.为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.技术方案一：一种激发表面等离子体激元的结构，沿金属表面布置若干周期间距排列的等离子体管。
9.该技术方案一中，通过在金属表面布置若干以周期间距排列的等离子体管，形成
类似金属光栅的等离子体光栅结构，当等离子体管内形成等离子体，并且形成的等离子体使得入射电磁波满足波矢匹配的要求后，入射电磁波可以在金属表面激发形成表面等离子体激元，相比于现有的金属光栅激发表面等离子体激元的方案，利用等离子体管形成等离子体光栅可以使入射电磁波的频率在下降至微波波段时仍能够激发形成表面等离子体激元，从而可以实现微波频段下的雷达探测隐身。
10.基于技术方案一的技术方案二：还包括控制模块；所述控制模块与各所述等离子体管通信连接以控制各所述等离子体管的开关和工作功率。
11.该技术方案二中，利用控制模块控制等离子体管的开关和工作功率，进而控制等离子体管内形成的等离子体的振荡频率，使得等离子体的振荡频率满足波矢匹配的要求，保证能够在金属表面形成表面等离子体激元。
12.基于技术方案二的技术方案三：还包括供电模块；所述供电模块与各所述等离子体管和控制模块电连接。
13.该技术方案三中，设置供电模块，从而为等离子体管和控制模块提供电能。
14.此外，本发明还提供技术方案四：一种激发表面等离子体激元的方法，朝向如技术方案一至三任一项所述的激发表面等离子体激元的结构中的金属表面发射电磁波，并使所述等离子体管内形成等离子体；所述等离子体的振荡频率ω
p
与所述电磁波的角频率ω满足
15.该技术方案四中，通过朝向如技术方案一至三任一项所述的激发表面等离子体激元的结构中设置有等离子体管的金属表面发射电磁波，使得金属表面得以形成表面等离子体激元，其中等离子体管内的等离子体的振荡频率与电磁波的角频率应满足一定关系，以保证在电磁波激发下得以形成表面等离子体激元；同时，该激发方法中由于采用了等离子体管组成等离子体光栅，相比于现有的金属光栅激发表面等离子体激元的方案，利用等离子体管形成等离子体光栅可以使入射电磁波的频率在下降至微波波段时仍能够激发形成表面等离子体激元，从而可以实现微波频段下的雷达探测隐身。
16.基于技术方案四的技术方案五：一种电磁波探测隐身装置，其用于削弱金属表面在电磁波探测下的回波强度，其包括若干等离子体管和控制模块；各所述等离子体管沿所述金属表面等间距排列布置；所述控制模块与所述等离子体管通信连接，并适于根据所述电磁波的角频率确定各所述等离子体管内形成的等离子体所需的振荡频率，并据此控制各所述等离子体管的开关和工作功率。
17.该技术方案五中，通过在金属表面布置若干等间距排列的等离子体管，形成类似金属光栅的等离子体光栅结构，当等离子体管内形成等离子体，并且形成的等离子体满足波矢匹配的要求后，入射电磁波可以在金属表面激发形成表面等离子体激元，相比于现有的金属光栅激发表面等离子体激元的方案，利用等离子体管形成等离子体光栅可以使入射电磁波的频率在下降至微波波段时仍能够激发形成表面等离子体激元，从而可以实现微波频段下的雷达探测隐身；通过控制模块使等离子体管内激发的等离子体的振荡频率满足形成表面等离子体激元的要求；在形成表面等离子体激元后，入射电磁波的能量会以表面等离子体激元的形式传播并消耗，从而削弱金属表面在电磁波探测下的回波强度。
18.基于技术方案五的技术方案六：朝向所述金属表面的电磁波为微波。
19.该技术方案六中，限定朝向金属表面的电磁波的波段为微波波段，由于采用等离
子体管形成等离子体光栅，因此在电磁波的频率处于微波波段时仍能够在金属表面形成等离子体激元。
20.基于技术方案五的技术方案七：还包括供电模块；所述供电模块与各所述等离子体管和控制模块电连接。
21.该技术方案七中，设置供电模块，从而为等离子体管和控制模块提供电能。
22.基于技术方案五的技术方案八：所述等离子体管采用低气压辉光放电形式产生等离子体。
23.该技术方案八中，等离子体管采用低气压辉光放电的形式产生等离子体，等离子体的激发形成便于控制，形成的等离子体的性质稳定。
24.此外，本发明还提供技术方案九：一种电磁波探测隐身方法，其用于削弱金属表面在电磁波探测下的回波强度，其利用如技术方案五至七任一项所述的一种电磁波探测隐身装置，根据朝向所述金属表面的电磁波的角频率确定各所述等离子体管内形成的等离子体所需的振荡频率，并据此控制各所述等离子体管的工作功率；所述等离子体管内形成的等离子体所需的振荡频率ω
p
与所述电磁波的角频率ω满足
25.该技术方案九中，通过如技术方案五至七任一项所述的一种电磁波探测隐身装置，在等离子体管内形成振荡频率适配的等离子体后，入射电磁波的能量会以表面等离子体激元的形式消耗，从而削弱金属表面在电磁波探测下的回波强度。
26.基于技术方案九的技术方案十：所述等离子体管内形成等离子体的振荡频率和所述等离子体管的排列周期应满足以下关系：
[0027][0028][0029]
其中，p为各所述等离子体管排列周期；
[0030]
ω为所述电磁波在正入射时的角频率；
[0031]
c为光速；
[0032]
εm为所述金属的介电常数；
[0033]
εd为所述等离子体管内等离子体的介电常数；
[0034]
ω
p
为所述等离子体管内等离子体的振荡频率；
[0035]
ν为所述等离子体管内等离子体的碰撞频率。
[0036]
该技术方案九中，当等离子体管内激发的等离子体的振荡频率和等离子体管的排列周期满足以上关系时，即可使得入射电磁波的衰减幅度达到最大，从而实现较好的电磁波探测隐身效果。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明提供的一种激发表面等离子体激元的结构的示意图；
[0039]
图2为图1中等离子体管、控制模块和供电模块的示意图；
[0040]
图3为图1中的激发表面等离子体激元的结构激发表面等离子体激元时的状态示意图；
[0041]
图4为图1中的激发表面等离子体激元的结构进行实际实验和仿真实验时电磁波的衰减幅值示意图。
[0042]
主要附图标记说明：
[0043]
金属10；等离子体管20；电子镇流器21、dali控制器22；供电模块23。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的优选实施例，且不应被看作对其他实施例的排除。基于本发明实施例，本领域的普通技术人员在不作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
[0046]
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，对于方位词，如使用术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系乃基于附图所示的方位和位置关系，且仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，所以也不能理解为限制本发明的具体保护范围。
[0047]
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“固接”或“固定连接”，应作广义理解，即两者之间没有位移关系和相对转动关系的任何连接方式，也就是说包括不可拆卸地固定连接、可拆卸地固定连接、连为一体以及通过其他装置或元件固定连接。
[0048]
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。
[0049]
实施例一
[0050]
本发明实施例一提供一种激发表面等离子体激元的结构，该结构沿金属10的表面布置若干等间距排列的等离子体管20。
[0051]
具体的，金属10在本实施例中为一金属板，其两侧分别形成两个表面，在本实施例中等离子体管20布置在金属10朝前的表面，下述的金属10的表面均指金属10朝前的表面。将等离子体管10布置在金属10朝前的表面的原因在于，用于激发表面等离子体激元的入射电磁波是朝向金属10朝前的表面发射的，等离子体管10只有布置在金属10朝前的表面才能受入射电磁波的激发在金属10朝前的表面形成表面等离子体激元。
[0052]
各等离子体管20以一定的间距等距排列在金属10的表面，参照图1，间距p为两根相邻的等离子体管20的中轴线的距离。
[0053]
另参照图2，本实施例中激发表面等离子体激元的结构还包括控制模块和供电模
块23，控制模块包括电子镇流器21和dali控制器22。控制模块与各等离子体管20通信连接以控制各等离子体管的开关和工作频率，供电模块23与各等离子体管20和控制模块电连接以为各等离子体管20形成等离子体和控制模块进行控制供电。供电模块23可以是电池或是常规的市电供电。
[0054]
其中，控制模块中的电子镇流器21两端分别与等离子体管20的两端电连接，其可以控制等离子体管20的开关，dali控制器22通过电子镇流器21与等离子体管20电连接，其可以控制等离子体管20的工作功率。通过控制等离子体管20的开关和工作功率，可以对等离子体管20内形成的等离子体的振荡频率ω
p
进行控制，开关、工作功率与等离子体振荡频率ω
p
之间的关系属于本领域公知常识，在此不再赘述。具体的，在本实施例中，dali控制器22设置有一个，而电子镇流器21对应各个等离子体管20设置有多个，每个电子镇流器21均与dali控制器22和一个等离子体管20电连接。此外，还可设置计算机，计算机与dali控制器22通信连接，以根据需要对dali控制器的控制参数进行调整。
[0055]
实施例一中，通过在金属10的表面布置若干等间距排列的等离子体管20，形成类似金属光栅的等离子体光栅结构，当等离子体管20内形成等离子体，并且形成的等离子体满足波矢匹配的要求后，入射电磁波可以在金属10的表面激发形成表面等离子体激元，相比于现有的金属光栅激发表面等离子体激元的方案，利用等离子体管20形成等离子体光栅可以使入射电磁波的频率在下降至微波波段时仍能够激发形成表面等离子体激元，从而可以实现微波频段下的雷达探测隐身。
[0056]
本实施例还提供一种激发表面等离子体激元的方法，该方法基于上述的激发表面等离子体激元的结构。
[0057]
该方法主要包括：朝向本实施例所提供的激发表面等离子体激元的结构中的金属10的表面发射电磁波，并使等离子体管20内形成等离子体，其中等离子体的振荡频率ω
p
与入射电磁波的角频率ω满足
[0058]
参照图3，图3为仿真实验中激发表面等离子体激元的电场分布图，当入射电磁波的角频率满足上述的关系式时，在金属10的表面的等离子体管20之间会存在明显的局域电场增强的现象，这种现象符合表面等离子体激元的相关特征，因此判定此时在金属表面的等离子体管20之间形成了表面等离子体激元(spp)。
[0059]
此外，本实施例中还对入射电磁波回波的衰减幅值进行了检测，以判断该激发表面等离子体激元的结构对入射电磁波能量的消耗情况。在该检测过程中，令等离子体管20的工作功率设为28w，等离子体管20的排列周期p为24mm，此处的排列周期即为等离子体管20的中轴线的间距；金属10采用铝板，令等离子体的振荡频率固定，之后调整入射电磁波的频率，再对入射电磁波回波的衰减情况进行检测。
[0060]
具体检测结果参照图4，可以看出，在实际实验和仿真实验中，朝向本实施例中金属10的表面发射电磁波后形成的回波在不同的电磁波频率下均有不同程度的衰减，其中在2ghz至3ghz处存在最大程度的衰减，说明在此频率下的电磁波激发下形成的表面等离子体激元的能量最高，根据仿真实验中的电场分布图，在2.83ghz附近频率的电磁波的激发下，形成的局域电场的强度高达1000v/m左右。
[0061]
该激发方法中，通过朝向本实施例提供的激发表面等离子体激元的结构中设置有等离子体管20的金属10的表面发射电磁波，使得金属10的表面得以形成表面等离子体激
元，其中等离子体管20内的等离子体的振荡频率与电磁波的角频率应满足一定关系，以保证在电磁波激发下得以形成表面等离子体激元；同时，该激发方法中由于采用了等离子体管20组成等离子体光栅，相比于现有的金属光栅激发表面等离子体激元的方案，利用等离子体管20形成等离子体光栅可以使入射电磁波的频率在下降至微波波段时仍能够激发形成表面等离子体激元，从而可以实现微波频段下的雷达探测隐身。
[0062]
实施例二
[0063]
本发明实施例二还基于上述的实施例一提供一种电磁波探测隐身装置，具体的，该电磁波探测隐身装置用于削弱金属10的表面在电磁波探测下的回波强度，其包括若干等离子体管20、控制模块和供电模块23。
[0064]
其中，各等离子体管20沿金属10的表面以周期间距排列布置，控制模块与等离子体管20通信连接，并适于根据电磁波的角频率确定各等离子体管20内形成的等离子体所需的振荡频率，并据此控制各等离子体管20的开关和工作功率。供电模块23与各等离子体管20和控制模块电连接。
[0065]
控制模块除实施例一、二中包括的电子镇流器21、dali控制器22外，还包括处理器，该处理器可根据电磁波的角频率，确定等离子体管20内激发的等离子体所需的振荡频率，再根据该振荡频率控制电子镇流器21、dali控制器22对等离子体管20的开关和工作功率进行调整，进而保证能够通过在金属10的表面形成表面等离子体激元，使得入射的入射电磁波能够以表面等离子体激元的形式被消耗，进而削弱入射电磁波的回波强度，达到隐身的目的。
[0066]
在本实施例中，用于探测金属10的电磁波为微波。由于雷达探测一般采用微波，本实施例提供的电磁波探测隐身装置可在微波激发下形成表面等离子体激元，从而通过表面等离子体激元削弱探测微波的回波强度，进而达到隐身的目的。
[0067]
其中，对于入射电磁波角频率的确定，可通过另外的测频设备例如测频接收机等实现，再通过数据传输的形式传递至本实施例中的控制模块，以供控制模块调整相应参数。
[0068]
本实施例还提供一种电磁波探测隐身方法，其用于削弱金属10表面在电磁波探测下的回波强度，其利用上述的电磁波探测隐身装置，根据朝向金属10表面的电磁波的角频率确定各等离子体管20内形成的等离子体所需的振荡频率，并据此控制各等离子体管20的开关和工作功率，其中，等离子体管20内形成的等离子体所需的振荡频率ω
p
与电磁波的角频率ω满足
[0069]
在该方法中，当接收到朝向金属10表面的电磁波并确定其角频率后，控制模块中的处理器会根据电磁波的角频率确定等离子体管20内激发的等离子体所需的振荡频率，再根据该振荡频率控制电子镇流器21、dali控制器22对等离子体管20的开关和工作功率进行调整，使等离子体的振荡频率能够满足的要求，进而保证能够通过在金属10的表面形成表面等离子体激元，使得入射的入射电磁波能够以表面等离子体激元的形式被消耗，进而削弱入射电磁波的回波强度，达到隐身的目的。
[0070]
优选的，为保证对入射电磁波的回波削弱强度最大，等离子体管内的等离子体的振荡频率和等离子体管的排列周期还应满足以下关系：
[0071][0072][0073]
其中，p为各所述等离子体管排列周期；
[0074]
ω为所述电磁波在正入射时的角频率；
[0075]
c为光速；
[0076]
εm为所述金属的介电常数；
[0077]
εd为所述等离子体管内等离子体的介电常数；
[0078]
ω
p
为所述等离子体管内等离子体的振荡频率；
[0079]
ν为所述等离子体管内等离子体的碰撞频率。
[0080]
例如，参照图4，在等离子体管20内的等离子体的振荡频率按照实施例一中的条件进行设置以及金属10的材质为铝板的情况下，图4中在电磁波频率为2.83ghz处的衰减幅值最大，说明在此处电磁波的角频率与等离子体的振荡频率满足上述关系。而在其他电磁波频率处，回波的衰减幅值均低于电磁波频率2.83ghz处的衰减幅值，说明在等离子体振荡频率固定的情况下，其他电磁波频率未满足上述关系，但由于等离子体自身存在隐身效果，整体存在-5db以上的电磁波衰减。
[0081]
因此，可通过控制模块调整等离子体管20内等离子体的振荡频率，使等离子体的振荡频率满足上述关系，以保证在不同频率的入射电磁波的探测下，均能够有效地削弱入射电磁波的回波，从而实现更好的隐身效果。
[0082]
此外，还可通过调整等离子体管20之间的排列周期，即调整等离子体管20的间距来调整形成的表面等离子体激元，以保证在不同频率的入射电磁波的探测下，均能够有效地削弱入射电磁波的回波，从而实现更好的隐身效果。当然，即使在未确定入射电磁波的频率的情况下，由于微波波段的雷达探测仪所发出的电磁波频段大致属于确定的范围，因此也可预设较佳的等离子体管20的排列周期。
[0083]
上述说明书和实施例的描述，用于解释本发明保护范围，但并不构成对本发明保护范围的限定。通过本发明或上述实施例的启示，本领域普通技术人员结合公知常识、本领域的普通技术知识和/或现有技术，通过合乎逻辑的分析、推理或有限的试验可以得到的对本发明实施例或其中一部分技术特征的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。