[发明专利]一种基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于梯度折射率材料领域，涉及一种基于混合液体的梯度折射率材料，尤其涉及一种基于混合液体的梯度折射率微波器件的制备方法。

背景技术

梯度折射率介质（GRIN）是一类折射率在径向、轴向或径轴混合向按一定规律分布的材料。梯度折射率微波器件是指采用梯度折射率介质制成的具有特殊传输特性的器件。梯度折射率器件的使用，可以大大简化光学系统、消除相差、减轻重量，在完美光学成像、高增益卫星通讯以及信息传感方面拥有潜力巨大的应用前景。从1854年Maxwell首先提出折射率相对一点呈球对称分布的Maxwell鱼眼透镜以来，这种具有重要意义的梯度折射率器件就引起了人们的广泛关注。

梯度折射率理论的提出和完善，为微波光学器件的设计提供了一种新的思路和方法。加入梯度折射率材料，就相当于在微波器件的设计中引入了一个可以调节的变量。1944年，Luneburg在研究鱼眼透镜的基础上，提出了Luneburg透镜的模型。此后，J.Sochacki等人将Luneburg透镜加以推广，提出了改进的Luneburg透镜模型，该模型使得梯度折射率微波器件向实用化方向迈进了一步。但是由于当时确定光学元件内部折射率的最优分布的计算技术发展缓慢，直到1969年左右，日本板玻璃公司的北野等人才利用离子交换技术首次成功制备出梯度折射率玻璃材料，自此，这一技术才真正进入实际应用研究。其中，利用无机材料制作梯度折射率材料的研究发展较快。采用的无机材料种类也较多，主要有玻璃、锗砷、硫和硒的化合物，氯化钠，氯化银和氮化硅等。采用离子交换法制成的玻璃梯度折射率棒已经达到实用化。玻璃梯度折射率材料的优点是通透率高，折射率范围大，色差相差小，分辨率较高。缺点是比重大，强度差，制作过程较复杂。

近年来，科学家在梯度折射率元件的制备工艺方面进行了广泛而深入的研究，为了获得所需要性能的梯度折射率器件，研究人员曾对各种可能的制备工艺进行了尝试。其中研究最多的是离子交换法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法和有机物聚合工艺，除此之外，还有离子填充法、晶体生长法和中子辐照法等。其中，离子交换法是迄今研究者们研究最为深入的方法，也是最早获得实际应用的方法，它具有成本低，控制过程简单等特点，这种技术是在光通信材料、光纤制造和梯度折射率透镜材料制造方面较为广泛采用的，但不是所有的折射率分布都可以通过离子交换法实现，在制造几何尺寸较大的径向梯度折射率时仍然存在一些问题，另外它的生产能耗大，折射率变化范围小，因此其应用仅限于微型光学系统。

溶胶凝胶法是1986年Yamne等人提出的，先把基质玻璃和掺杂物质溶解呈溶胶液体，做成棒状，再溶出其中的掺杂物质，以实现梯度分布的折射率。它可以做大口径梯度折射率的材料，但是生产时对折射率和尺寸的控制比较困难，工艺控制要求严格，且耗时长。离子填充法可以得到大尺寸的梯度折射率材料，但是制作过程复杂，不易实用化。

总结现有的制备工艺可以发现，梯度折射率微波器件的制备主要面临三个困难：一是过高的制作成本和复杂的制作工艺，二是有限的折射率变化范围，三是所用介质的电磁波损耗大。解决这三个问题是梯度折射率微波器件实现真正意义上的工程应用的关键步骤，因此，在考虑制作成本的同时，必须解决成型工艺、折射率可调范围、能量损耗上的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制作工艺，通过改变液体的组分可实现微波器件电磁传播性能的可调性，即实现微波在其中传播时折射率在一定范围内可调均匀变化。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法，包括以下步骤：

1）根据梯度折射率微波器件的电磁波工作频段和辐射特性，确定其折射率的空间分布图，并对所得的折射率空间分布图按相应的离散单元大小进行离散处理，得到每个离散单元层的等效电磁波折射率；

2）根据离散处理结果，利用光固化快速成形技术，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法制备梯度折射率微波器件的树脂框架结构；

3）将具有不同电磁波折射率的非磁性液体的混合，通过非磁性液体的混合比例得到具有不同电磁波折射率的混合液体；

4）按照树脂框架结构中各离散单元对等效电磁波折射率的要求，分别注入具有对应电磁波折射率的混合液体；然后在树脂框架结构的轮廓外加装金属反射板，得到梯度折射率微波器件。

所述混合液体的电磁波折射率n由如下公式计算其中ε为混合液体的介电常数，介电常数由介电常数检测装置对混合液体进行检测而获得。