由超材料制成的滤光器制造技术

提供了一种用于对电磁辐射滤光的滤光器，其中所述滤光器被布置为透射第一预定波长的电磁辐射并阻挡不同的第二预定波长的电磁辐射，所述滤光器包括第一超材料。任选地，超材料可以由多个材料元素形成，其中每个材料元素都为至少一维的，并且材料元素沿着每维的大小不大于第二预定波长的大小。滤光器包括被布置为提供对第二电磁辐射的第二滤光的第二超材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由超材料制成的滤光器
本专利技术涉及用于对电磁（EM）辐射滤光的滤光器及其设计和制造方法。具体而言，本专利技术涉及一种阻挡体，其可以对一个或多个特定窄光频率滤光并且可以对电磁辐射的其他频率是光学透明的。
技术介绍
电磁辐射滤光器是公知的并且具有许多实际应用。一种这样的应用是对激光进行滤光以便保护个体免受其影响。公知的是，当眼睛暴露于激光时，可能发生显著的伤害。这主要是由于对入射光子的吸收以及活的眼组织的加热。潜在的伤害依赖于激光的强度、即每秒来自入射到给定表面面积上的激光的能量、以及暴露的时长。两种公知类型的激光是连续波（CW）和脉冲激光。CW激光基于其功率输出被分类，而脉冲激光是基于其每脉冲总能量被分类的。由于更便宜和更大功率的激光系统的扩散，针对激光的保护已经在日常实际情况中日益变得重要。近年来，某些激光器产品已经能低成本地制造，并且因此易于商用。这些产品包括所谓的“激光笔”或“激光指示器”。在英国本来就存在规定，使得仅仅允许制造和销售具有最高达5毫瓦（mW）功率的激光指示器。然而，这些规定在世界范围内不是一致的，并且可能在其他国家便宜地购买1瓦激光指示器，该指示器具有在英国可买到的最大功率的激光指示器的有效面积的高达四倍的有效面积，并且可能从远达三英里以外对人眼造成角膜伤害。遗憾的是，故意指向汽车驾驶员、以及指向飞行中的飞机的激光指示器事件已经增加。这些事件可能造成极严重的安全后果。尽管激光指示器不能伤害或损坏大多数汽车或飞机，但是它们能且常常干扰驾驶员、飞行员或机组人员维持与道路、航线或跑道的足够视觉接触的能力。当激光指示笔在起飞或降落期间指向飞机时，潜在的安全后果尤其严重。飞机需要处于相对低的海拔才能受到在地面上使用激光指示笔的影响。出于该原因，飞机在降落的进近阶段是最易受影响的。在该阶段期间，飞机通常将飞行在大约6000英尺处并与跑道对准，同时以大约每分钟700英尺的相对稳定速率下降。这使飞机成为易于用激光指示笔瞄准的目标。同时，飞机上的机组人员将越来越多地关注飞机外的如下外部线索：这些外部线索允许机组人员控制下降速度、速率以及飞机航向以争取在跑道上成功降落。这使得机组人员易于受到激光束指示器的影响，并且可能甚至受到严重的眼睛损伤。情况当然如此的是在机组人员实施“视觉降落”或“非精确降落”时。在这样两种降落阶段期间，航空机组人员主要使用外部线索来导航以完成进近和降落。如果激光在进站阶段的任何时期指向机组人员，则机组人员可能受伤、暂时失去对跑道的视力、或者判断无干扰的安全降落是不可能的。这可能导致“复飞”（go-around）或“中断”（abort）以避免可能显著危及飞机和机上人员安全的事件。复飞及其相关程序可能对航空机组人员和航空交通管制造成增加的工作量，这又可能引入其他的安全威胁。在诸如位于欧洲的繁忙机场中，复飞程序可能导致高工作量和相对危险的情况。将便携式激光器指向飞机还可对航空公司运营的效率和成本造成影响。复飞包括飞机缠绕（spool）引擎以强行推进起飞的设定，同时爬升并然后返回到初始进近点以尝试再次降落，所有这些都可能持续10至20分钟之间的任何时间。在这样的机动期间，747-400飞机可能燃烧高达四吨附加燃料，该燃料的当前价格可能达到大约6000美元。诸如耽误旅客行程和飞机利用之类的其他因素可能使复飞甚至更加昂贵。针对飞机，本来就已存在许多安全规定和系统。遗憾的是，被引入以改善安全性的一些系统和程序可能实际上增加了瞄准飞机的激光指示器的潜在严重程度。例如，平视显示系统（HUD）、即曾经仅仅用在军用飞机中的一种昂贵技术的使用越来越多地进入日常商用飞机运营。该系统包括驾驶员前方的玻璃，在该玻璃上相对于跑道显示飞机的飞行参数和位置。该系统允许航空机组人员观察外部线索以及（尤其是）飞机海拔和速度，而不必低头看仪表盘。这导致航空机组人员在整个进近和降落阶段期间都看着穿挡风玻璃并从挡风玻璃向外看。因此，瞄准飞机挡风玻璃的任何激光指示设备都将很可能对机组人员造成不利影响。存在滤除激光以保护用户安全的大量公知解决方案。例如，激光保护系统（LPS）按惯例用在世界各地的实验室中。它们通常以由易受激光辐射影响的人所佩戴的护目镜、眼罩或隐形眼镜的形式出现。它们还以窗的形式出现，所述窗被放置在激光位置周围以保护周围环境。这些滤光器常常是使用用于低强度激光器的聚合物或用于高热密度的玻璃构建的。存在与当前可用的LPS相关联的若干缺点。它们通常对单个光带操作，从而仅仅保护针对单种激光类型的保护。附加地，它们不是足够窄带的，因此它们阻挡了比所需更多的光，并且因此歪曲了用户的总体视觉。LPS常常还是带色彩的，从而人为地使视野上色。因此，不总是能够使用LPS——例如航空飞行员在夜间驾驶飞机时佩戴红色护目镜是不安全的。并且基于玻璃的滤光器是沉重的，并且不能供人们舒适地佩戴。没有已知的系统能够提供对电磁辐射的如下滤光：该滤光是足够精确的并且专注于许多实际目的，而不歪曲用户不希望滤光的其他波长的电磁辐射的传播。此外，许多现有滤光器是不实用的和/或对于广泛使用而言过于昂贵。
技术实现思路
本专利技术的各方面在所附独立权利要求中加以陈述。提供了一种用于对电磁辐射进行选择性滤光的滤光器。该滤光器包括第一超材料和第二超材料。每种超材料都包括多个结构特征，所述特征具有比预定波长更小的大小。由于仔细挑选的结构特征，预定波长处的电磁辐射被超材料阻挡。该结构特征可以是介电层的厚度。超材料可以包括多个材料元素，并且结构特征可以是材料元素的大小。材料元素可以包括下列各项中的任何项：金属形状、光子晶体、聚合物材料元素或液晶。超材料可以包括纳米结构材料，其由纳米级材料元素制成。滤光器可以包括在除了该滤波器被配置为要阻挡的一个或多个所选频率以外的所有频率处的光学透明性。因此，除了已经被有意地阻挡的频率、例如可能对用户造成危害的特定激光频率以外，滤光器不歪曲用户视觉。滤光器可以阻挡单个窄频带，或者可以阻挡多个不同的窄频带。通过组合超材料，滤光器可以在一定角度范围内阻挡所选频率。附图说明现在将参照附图描述实施例和各方面，附图：图1示出了包括超材料的滤光器，其包括纳米级单位晶胞的阵列，该图包括所述阵列的放大图以及一个单位晶胞的进一步放大的图；图2a示出了用于超材料滤光器的单位晶胞，其包括被均匀介电主基质包围的等离激元球形纳米颗粒；图2b示出了用于图2a所示单位晶胞的可替代的纳米颗粒，该纳米颗粒具有立方体形状；图2c示出了另一可替代的纳米颗粒形状，其包括螺旋或漩涡；图2d示出了另一可替代的纳米颗粒形状，其包括环体；图2e示出了另一可替代的纳米颗粒形状，其包括具有处于顶部和底部的第一和第二圆锥突起的球体、以及环绕侧面的四个半环体；图2f示出了另一可替代的纳米颗粒形状，其包括三维十字或X形；图2g示出了另一可替代的纳米颗粒形状，其具有三角形截面；图3示出了图2的纳米颗粒的表面上的电场分布的模拟；图4a示出了图2的纳米颗粒的宏观介电常数和主基质的本底介电常数的虚数部分之间的关系；图4b示出了球形纳米颗粒的直径（D）对特定频率处的电磁辐射的吸收强度的影响；图5a示出了包括球形纳米颗粒层的超材料滤光器，其中纳米颗粒的二维周期是30nm；图5b示出了图5a中示出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对电磁辐射滤光的滤光器，所述滤光器包括：第一超材料，其被布置为提供对电磁辐射的第一滤光；以及第二超材料，其被布置为提供对电磁辐射的第二滤光，其中第一滤光包括透射第一波长处的电磁辐射并且阻挡第二波长处的电磁辐射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.10 GB 1117480.21.一种用于对电磁辐射滤光的滤光器，所述滤光器包括：第一超材料，其被布置为提供对电磁辐射的第一滤光；以及第二超材料，其被布置为提供对电磁辐射的第二滤光，其中第一滤光包括透射第一波长处的电磁辐射并且阻挡第二波长处的电磁辐射而第二滤光包括透射第一波长处的电磁辐射并阻挡第二波长处的电磁辐射；其中第一超材料被布置为提供对以第一角度入射的电磁辐射的第一滤光，并且第二超材料被布置为提供对以第二角度入射的电磁辐射的第二滤光，第二角度不等于第一角度。2.如权利要求1所述的滤光器，其特征在于，第一和/或第二角度分别是第一和/或第二角度范围。3.如权利要求2所述的滤光器，其特征在于，第一和第二角度范围部分重叠。4.如前述权利要求任一所述的滤光器，其中第一和/或第二波长包括带宽。5.如权利要求1所述的滤光器，其中第一超材料包括多个结构特征，所述结构特征在一维中具有不大于所述电磁辐射的第二波长的大小。6.如权利要求1所述的滤光器，其中第二超材料包括多个结构特征，所述结构特征在一维中具有不大于所述电磁辐射的第二波长的大小。7.如权利要求5至6的任一所述的滤光器，其特征在于，第一和/或第二超材料包括多个介电层，并且所述结构特征是所述介电层的相应厚度。8.如权利要求7所述的滤光器，其特征在于，所述多个介电层中的第一介电层具有第一折射率n1，并且所述多个介电层中的第二介电层具有不同的第二折射率n2，其中所述第一介电层和第二介电层形成布拉格反射器。9.如权利要求8所述的滤光器，其特征在于，包括与多个所述第二介电层交替的多个所述第一介电层。10.如权利要求5至6任一所述的滤光器，其特征在于，第一和/或第二超材料包括材料元素的阵列，并且结构特征是所述材料元素。11.如权利要求10所述的滤光器，其特征在于，所述材料元素至少部分地被主基质包围。12.如权利要求10所述的滤光器，其特征在于，所述材料元素位于主基质中或主基质的表面上。13.如权利要求12所述的滤光器，其特征在于，所述材料元素至少部分地嵌入在主基质中。14.如权利要求10所述的滤光器，其特征在于，所述材料元素是由电介质或金属电介质形成的。15.如权利要求10所述的滤光器，其特征在于，所述材料元素是由金属形成的。16.如权利要求15所述的滤光器，其特征在于，所述金属包括下列各项中的任何项:金、银或铝。17.如权利要求10所述的滤光器，其特征在于，所述材料元素具有下列形状中的任何形状：球形、立方体形、圆柱形、椭圆体形、环形、x形、三角形、不规则形...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·帕里卡拉斯，T·卡洛斯，
申请(专利权)人：兰布达防护技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB