单层高效透射型相位梯度超表面的设计及实验验证

本文设计了一种单层高效透射型相位梯度超表面,并通过仿真和实验进行了验证.在圆极化波入射条件下,超表面单元的交叉极化转化率大于90%的频带范围为14-15.8 GHz.通过对单元的面内旋转可实现在保持高交叉极化透射幅度的前提下对交叉极化透射相位进行调控.基于6个旋转步进为300的超表面单元周期排布设计了一维相位梯度超表面,该超表面对左/右旋圆极化波分别形成方向相反的相位梯度,因此线极化波经过超表面后将会分离成两束对称传播的圆极化波15 GHz处的近场电场分布和远场归一化透射能量方向图的仿真结果表明,奇异透射角仿真值为33.50,与理论设计值(33.75°)符合得很好.仿真并测试了透射功率密度谱,结果表明在14.9-15.3GHz频带范围内垂直入射的线极化波被高效分离成两束圆极化波.相比于以往的透射型极化调制超表面,该超表面具有工作效率高、厚度薄、重量轻等优点,在电磁波传播和极化操控领域具有重要的应用价值.     

圆极化波反射聚焦超表面

基于圆极化波入射条件下的高效同极化反射超表面实现了对圆极化反射波相位的自由调控, 设计了一维圆极化波反射聚焦超表面. 在中心频率f=16 GHz附近, 右旋圆极化平面波入射时, 反射波聚焦于焦距L=200 mm的实焦点; 左旋圆极化波入射时, 反射波近似聚焦于焦距L=-200 mm的虚焦点. 仿真计算得到聚焦波束的波束宽度、焦深. 结果表明, 这种圆极化反射聚焦超表面具有很好的聚焦效果, 同时具有长焦深和宽带特性.     

基于交叉极化旋转相位梯度超表面的宽带异常反射

设计实现了一种基于双圆弧形金属结构的宽带反射型极化旋转超表面, 在7.9–20.1 GHz的宽频带范围内交叉极化转换率达到99%, 通过改变其结构参数可实现在保持高效的交叉极化转换率的条件下对交叉极化反射相位的自由调控. 基于六种不同结构参数极化旋转超表面结构单元的空间排布设计实现了一维宽带相位梯度超表面, 在宽频带内, 实现了异常反射. 测试了其镜面交叉极化反射率, 与仿真结果基本一致. 仿真计算了x-极化波入射时的电磁场分布和异常反射角度, 与理论计算结果基本一致. 仿真与测试结果均表明这种相位梯度超表面在8.9–10 GHz 和10.0–18.1 GHz的两个宽带频率范围内可分别实现高效的表面波耦合和异常反射.     

一种复合型极化转换表面及其在天线辐射散射调控中的应用

透射型极化转换表面因其具有易于与天线共形的巨大应用优势,受到国内外学者的广泛关注.本文将极化栅结构与各向异性贴片结构相结合,设计并验证了一种复合型透射极化转换单元,将该极化转换单元组成透射超表面,可以同时实现极化选择和透射型线-圆极化变换两种功能.当电磁波极化方向垂直于极化栅延伸方向入射到复合型极化转换表面时,该极化转换表面可以在9.3—10.9 GHz实现透射型线-右旋圆极化转换,当电磁波极化方向平行于极化栅延伸方向入射时,可以实现同极化全反射.将该极化转换单元及其镜像单元棋盘排布后组成棋盘排布表面,以电磁表面覆层的形式应用于带宽为9.4—10.7 GHz的线极化源微带天线,利用圆极化的相反旋向对消特性,组成一款新颖的线极化天线.相比于源微带天线,在9.5—10.5 GHz该天线的线极化纯度得到提高,同时实现了天线的前向增益提高和带内雷达散射截面减缩,最大减缩量达39.2 dB.实验验证和仿真结果吻合较好,该设计在高增益、低散射天线设计和天线辐散射性能综合调控中具有重要的参考价值.     

太赫兹多波束调控反射编码超表面

已报道的大多数编码超表面仅利用相位或幅度编码进行电磁波调控,限制了太赫兹波调控灵活性.本文提出了一种反射超表面单元,通过相位编码构造超表面,在圆极化波入射下获得反射波束分裂和偏转功能,实现对圆极化波束的灵活调控;同一超表面单元结构利用幅度编码构造超表面在线极化太赫兹波入射下,实现空间成像功能.通过相位编码和幅度编码结合构造超表面,提高了对太赫兹波操控的灵活性,该编码超表面构造思路可以为太赫兹器件设计提供一种全新思路.     

线极化与圆极化波均可吸收的太赫兹超表面

利用VO₂嵌入超表面设计了一种实现不同频率,且线极化和圆极化两种模式入射下均产生高效率吸收的太赫兹超表面.当VO₂为绝缘态时,设计的超表面对圆极化波的旋向产生选择性吸收,在1.30 THz处对左旋圆极化波产生的吸收率大于95%,对右旋圆极化波不吸收,圆二色性为0.85.当VO₂为金属态时,在1.95 THz处,该超表面对TE线极化入射波吸收率达到98.5%.结果表明,在线极化和圆极化波入射下,所设计的超表面结构具有良好的广角吸收性能.由于它具有形态简单、易于加工等特点,在太赫兹波传感、成像和通信领域具有广阔的应用前景.     

一种宽角域散射增强超表面的研究

提出并验证了一种基于超表面相位梯度设计以实现宽角域后向雷达散射截面(radar cross section, RCS)增强的设计思路.宽角域RCS增强超表面包含两个区域,分别设计大小相等方向相反的相位梯度,控制-45?和45?方向上的入射电磁波沿入射方向返回;电磁波垂直入射时,在一个区域内耦合为表面电磁波,传播至另一区域再次解耦为垂直反射的自由空间波,分别在-45?, 0?, 45?方向上形成散射峰,实现了在-45?—45?的宽角域范围内的RCS增强.仿真了宽角域RCS增强超表面在电磁波以不同角度入射时的电场分布和单站RCS,测试了加工样品在9—12 GHz频带内不同频点处的单站RCS,和仿真结果基本一致.结果表明:设计的宽角域RCS增强超表面在9—12 GHz的宽带频率范围内,在-45?—45?的宽角域范围内对于x和y极化入射波均有良好的RCS增强效果.     

基于梯度超表面的反射型线-圆极化转换器设计

本文设计了同时具有线-圆极化转换和出射波偏折功能的反射型极化转换器通过六个不同结构参数的改进型十字结构四分之一波片组成一维相位梯度超表面,将此超表面分别在x和y方向进行周期排布,设计了极化转换器.通过理论分析、仿真计算和实验测试,验证了该极化转换器在13.8-14.7 GHz频带内实现了高效线一圆极化转换和奇异反射.仿真并测试了镜面反射率、反射功率密度谱和轴比特性,仿真结果和测试结果的一致性良好,结果表明该极化转换器在13.8-14.7 GHz频带内的镜面反射率小于-10 dB,轴比小于2 dB,而且反射波的偏折方向与理论分析相一致.     

基于单层线-圆极化转换聚焦超表面的宽带高增益圆极化天线设计

基于线-圆极化转换原理和聚焦超表面相关理论,设计了一种反射型宽带线-圆极化转换聚焦超表面,并结合线极化馈源设计了宽带的高增益圆极化天线.首先,提出了一种单层的变形十字超表面单元,单元具有极化独立特性,并且能够在10—14 GHz宽频带范围实现对反射波相位360?范围全调控,同时利用该单元构建的一维超单元很好地验证了奇异反射现象.然后,分别控制单元横向和纵向尺寸的分布构建出同时满足线-圆极化转换和聚焦条件的双功能超表面.最后,采用Vivaldi天线作为馈源对超表面进行照射组成天线系统,仿真及测试结果均表明天线系统同时实现了高增益和线-圆极化转换,系统的-1 d B带宽为24%,-3 d B轴比带宽为29.8%.本文的设计充分体现了超表面对电磁波相位和极化操控的灵活性,具有显著的应用前景.     

基于单层反射超表面的宽带圆极化高增益天线设计

基于Pancharatnam-Berry相位原理, 设计了一种宽带圆极化反射聚焦超表面并将其应用到提高天线增益中. 首先提出了一种变形十字超表面单元, 在11-16 GHz频带范围内能够实现高效同极化转换, 并基于该单元构建了宽带反射聚焦超表面. 仿真结果表明, 垂直入射的右旋圆极化平面波宽带聚焦效果明显. 然后利用单向阿基米德螺旋天线对超表面进行照射, 其辐射的球面波经超表面反射后得到了近平面波, 有效地提高了天线的增益. 最终对所设计的天线系统进行加工并测试, 结果表明系统的-1 dB增益带宽达到25% (12.5-16 GHz), 在该频带范围内峰值增益均高于19 dBc且轴比小于3 dB. 此外, 在12-15.5 GHz范围内天线口径效率均超过50%.     

单层超薄高效圆极化超表面透镜

针对超表面在透镜方面的应用, 本文设计了一种交叉极化透射聚焦超表面, 实现了将圆极化波转化为交叉极化波的同时聚焦电磁波的功能. 设计了一款旋转型单元, 单元为一层且厚度仅为1.5 mm, 分析了旋转型单元提供不同相移的原理并设计了相邻单元相移差为60°的相位梯度超表面, 在中心频率f=15 GHz附近发生奇异折射, 折射角与理论计算结果一致, 验证了设计单元的有效性, 基于该单元设计了尺寸为90 m mm×90 mm、单元数为15×15 的透射型聚焦超表面, 在中心频率f=15 GHz附近, 左旋圆极化平面波照射时, 透射波聚焦于L=40 mm 的实焦点且透射波为照射波的交叉极化波. 该超表面透镜效率高、厚度薄且为单层, 易于加工, 相对于传统透镜, 优势明显, 在操控电磁波、改善透镜性能方面有潜在应用价值.     

宽入射角度偏振不敏感高效异常反射梯度超表面

偏振不敏感超表面在实际应用中具有重要意义, 本文提出了一种光通信波段的、对偏振不敏感的异常反射式梯度超表面, 这种超表面对于x-偏振和y-偏振入射光都能够实现高效率的异常反射, 表现出偏振不敏感特性, 为解决传统反射式超表面的偏振敏感性问题提供了一种新途径. 它采用金属(Au)-绝缘层(SiO₂)-金属(Au)结构, 超表面的超晶胞由五个各向同性的、尺寸不同的十字形基本结构单元组成. 仿真结果表明, 这种超表面结构对不同线偏振入射平面光波有几乎相同的相位和振幅响应; 合理的选取五个基本结构单元的尺寸, 在一个超晶胞内实现了2πup 相位的覆盖, 反射光波阵面畸变小, 而且反射光都集中到异常反射级次, 在工作波长1480 nm处具有较高的异常反射率(～ 70%). 此外, 这种结构的超表面在-30°–0°的宽入射角度范围内都具有偏振不敏感的异常反射特性. 在光通信、光信号处理、显示成像等领域具有潜在的应用前景.     

基于十字变形结构的高效超宽带线性极化转换超表面

提出了一种基于十字变形结构超表面的极化转换器,在反射模式下获得了高效超宽带的交叉极化反射.在8.4到20.7GHz频段内交叉极化反射率大于-0.2dB,而共极化反射率小于-12dB,在谐振频率点处交叉极化反射率大于-0.03dB,而共极化反射率达到-60dB,即在谐振点处几乎可实现完全的交叉极化转换;相对带宽达84.5%,交叉极化的平均转换效率为96.7%;此外,利用电路板刻蚀制备了此极化转换器样品,实验测试其交叉极化反射率在工作频段内大于-1dB,而共极化反射率小于-10dB,实验结果与模拟结果吻合,验证了此超表面可以在超宽的频带内实现线极化电磁波的交叉极化转换.本文设计的超宽带极化转换超表面具有转换效率高和几何结构简单的优点,可被扩展到太赫兹甚至是可见光频段.     

光在Metasurface中的自旋-轨道相互作用

探讨了光在Metasurface中的自旋-轨道相互作用, 理论分析了Metasurface 对圆偏振和线偏振光的转换. 结果表明: 光与具有空间非均匀性和各向异性性的Metasurface的相互作用导致了自旋-轨道角动量的耦合. 采用Metasurface与螺旋相位片组合在一起进行了验证实验, 所得实验结果与理论分析完全一致. 这些结论有助于我们更加深入理解Metasurface 对光的操控.     

基于复合超构表面的宽带圆极化双功能器件设计

多功能器件的设计是推动新一代电磁系统发展的重要力量,而超构表面因其对电磁波的幅度、相位和极化等特性的灵活调控在多功能器件领域备受关注.传统的多功能超构表面是利用各向异性单元对相互正交的线极化波具有不同响应的特性,从而设计出适用于线极化的多功能器件.本文提出了一种缝隙加载的环I形复合超构表面单元,通过单元臂长和旋转角度的...     

Switchable vortex beam polarization state terahertz multi-layer metasurface

We propose a switchable vortex beam polarization state terahertz multi-layer metasurface, which consists of three-layer elliptical metal crosses, four-layer dielectrics, and two-layer hollow metal circles, which are alternately superimposed. Under the normal incidence of left-handed circularly polarized (LCP) wave and the right-handed circularly polarized (RCP) waves, the proposed structure realizes three independent control functions, i.e., focused and vortex beam, vortex beam with different topological charges, and polarization states switching, and azimuth switching of two vortex beams with different polarization states. The results show that the proposed metasurface provides a new idea for investigating the multifunctional terahertz wave modulation devices.     

Manipulating Spin-Dependent Wavefronts of Vortex Beams via Plasmonic Metasurfaces

Conventional metasurfaces based on geometric phase are constrained to spin-locked phase profile, resulting in mirrored functionalities for different spins. A single flat device that enables independent manipulation of wavefronts in two orthogonal circularly polarized channels is of paramount importance in wireless and optical communications. In this work, by tuning the dimension and rotation angle of H-shaped meta-atoms to synthesize propagating phase and geometric phase, spin-dependent plasmonic metasurfaces are presented to manipulate circularly polarized waves in the visible band. To verify the capability of spin-dependent wavefront manipulation, three metasurfaces are implemented. The first metasurface generates vortex beams with orbital angular momentum (OAM) l = 1 under left-handed circularly polarized (LCP) incidence and l = 2 under right-handed circularly polarized (RCP) incidence. By introducing convolution operation, the second metasurface is capable of producing vortex beams with different OAMs and different directions for two spins. The third metasurface produces dual-beam and quad-beam with different OAMs for different circular polarizations. This scheme can provide a new pathway in ultracompact nanophotonic devices and systems.