频率受控的太赫兹双功能编码超材料

电磁编码超材料是一种通过全数字的方式进行表征、分析和设计的全新超材料,相比于传统的基于等效媒质理论的“模拟超材料”,这种“数字超材料”极大地简化了设计流程和难度,其对电磁波的调控功能取决于所赋予的编码序列。由于每个编码单元的相位为2N个离散值,因此可利用开关二级管的导通和关闭来实现单元结构“0”和“1”二进制数字态之间的电调控,通过现场可编程门阵列(FPGA)硬件系统将编码实时输入到超材料,实现现场可编程超材料,进而对电磁波实时地进行调控。与采用复杂且昂贵的移相网络的相控阵天线相比,现场可编程超材料利用开关二极管便可实时调控电磁波的波前,极大地降低了系统复杂度、体积重量以及造价,具有重要的应用价值。随后这一概念被进一步推广到太赫兹波段,利用闵可夫斯基分型结构和圆环结构实现了对太赫兹波的调控,包括宽带漫反射。

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一般情况下,编码超材料的每个单元结构拥有唯一的数字编码,这就意味着设计好的超表面功能唯一,不能随电磁波的极化方向或者频率的改变而改变。近日,东南大学崔铁军教授团队(第一作者为博士研究生刘硕)提出了一种频率受控的太赫兹双功能编码超材料,使得同一个超材料在两个不同频率上呈现出完全不同的功能。他们利用不同频率之间的独立性,将两个不同的数字编码加载在同一个编码单元上,在太赫兹频段设计并实验验证了一款一比特太赫兹双功能编码超材料,其单元结构在低频频段和高频频段的编码状态互相独立,即可任意设计为“0”或“1”。通过在低频段和高频段叠加不同的编码序列,从而使得双功能编码超表面在两个设计频段实现对太赫兹不同的调控,如两波束异常反射和四波束异常反射等。未来工作中,通过进一步优化设计,可进一步拓展为三波段甚至多波段编码超材料,即能够在多个频段呈现独立的编码图案和对电磁波的任意调控,这将有助于在可见光频段实现彩色全息成像,或在微波通信领域中完成不同频率的电磁波在空间上的分离。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201600471)上。