数字编码超材料的加法定理可实现对电磁波束的多功能灵活调控

作为一种全新的电磁超材料,数字编码超材料利用二进制的数字状态表示反射波或透射波的幅度或相位,对超材料的电磁特性实现了数字化表征,其设计原理和方法均较传统的模拟超材料更为简单。通过将编码单元按照不同的数字序列排列在阵面上,便可以实现具有相应不同功能的数字编码超表面。由于其单元状态为有限的二进制数字状态,因此利用现场可编程门阵列(FPGA)控制加载在单元结构中有源器件可实现对编码状态及整体功能的实时调控。因此,数字编码超材料受到日渐广泛的关注和更为深入的研究。然而,现有的数字编码仅利用了相位的辐角部分,并没有体现出相位编码的全部特性,而对相位编码序列的运算研究也仅限于数字序列的标量叠加,限制了数字编码超材料应用于更多功能的前景。 近日,东南大学崔铁军教授团队(第一作者为博士研究生吴瑞元)创新性地将数字编码超材料拓展至复数域,首次提出了更加接近电磁波本质的复编码概念,从麦克斯韦方程推导出的电磁波基本表达式出发,将包含相位信息的复数整体进行编码,并基于此概念提出了基于数字编码超材料的加法定理。在微观层面,加法定理揭示了不同比特编码之间的内在联系,可以使编码状态从1比特到多比特进行相互变换。在宏观层面,可利用加法定理实现多功能数字编码超材料,即多种功能同时在同一阵面的无互扰叠加,仅需要简单的数字状态运算便可完成对电磁波束的任意赋形,例如彼此独立调控的双波束辐射、任意方向的多波束同时辐射等功能。未来工作中,通过引入独立可控的可编程数字编码超材料单元,根据需求完成对辐射方向图的任意实时调控。相关文章在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201701236)上。

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