基于超表面的高效双功能电磁波调控器

近年来,随着电子科学技术的飞速发展,市场对高速、记忆电磁(光)器件的需求逐步增加,电磁(光)集成在现代科技中的地位进一步凸显,如何在亚波长尺度制备能同时实现不同功能的高效电磁器件,是一个重要的科学问题。而基于自然材料、或者人工制作的三维材料实现的传统多功能器件存在器件尺寸大、效率低、实现功能单一等缺点。

超表面,这类由具有独特电磁特性的人工原子按照一定方式排列组成的二维人工复合材料,因其对电磁波前的强大调控能力,受到了广大科技工作者和工程师的广泛关注。通过控制超表面上相位分布,科学家们发现了一系列奇异的物理现象和电磁调控机理,例如,广义折射/反射定律,传输波向表面波的高效转化,高效波片,全息成像等。最近,采用各向异性超表面实现多功能器件成为该领域研究的热点之一,然而这些超表面器件存在工作效率低、或需复杂的三维立体结构等缺陷。

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复旦大学应用表面物理国家重点实验室周磊教授课题组(蔡通博士和汤世伟博士为工作共同第一作者)在利用各向异性超表面设计高效双功能电磁调控器件方面取得了突破性进展。基于对不同偏振电磁波具有不同电磁响应的人工单元,他们提出构造非均匀超表面实现超薄高效双功能电磁调控器件的新思路,并通过数值仿真和微波实验验证了该设计理念。他们分别基于反射和透射体系实现了对不同偏振电磁波完全不同的高效调控功能:其中反射式超表面器件对垂直偏振电磁波实现了效率超过90%的电磁汇聚效应,而对水平偏振电磁波实现了传输波向表面波的高效转化;而透射超表面器件也能对两个偏振的透射电磁波分别实现绝对效率大于72%的聚焦和波束偏折效应。这一利用超表面实现高效双功能电磁调控的方案原则上可以推广到任意波段实现多种不同电磁调控功能,这对于功能集成元件的设计和发展具有重要的理论指导和工程应用价值。该工作发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201600506)上。

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