宽带功能化超构表面:利用非线性相位响应实现宽带cloak与消色差天线

超构表面(metasurface)作为一种人工二维材料,利用亚波长尺度的单元结构与入射电磁波的相互作用可以实现对电磁波振幅、相位和偏振的高效调控。相较于传统器件,超构表面具有低剖面、高集成度以及多功能化等优势,因而具有重要的应用前景。

近年来,虽然超构表面在理论设计上已经取得了长足的发展,但该领域仍然面临诸多问题。其中,由于超构表面所使用材料的本征色散引起的色差是制约该技术走向实际应用面临的最重要的挑战之一。如何能实现连续波段的消色差是这一领域国内外目前的研究热点。目前报道的方法主要有两种:第一种是利用几何相位与谐振相位互相补偿,这种偏振相关的解决方法需要对入射光和出射光的偏振态进行筛选,增加了光学系统的复杂度并且不可避免的降低了器件的效率。第二类种是利用介质波导的异常共振补偿材料色散,但由于材料的限制,该方案不适用于微波波段。因此,亟待发展出新的设计原理来突破微波波段偏振无关连续消色差的瓶颈。

近期,中科院光电技术研究所在微波段宽带消色差问题上取得了重要进展。研究人员首先通过类比传统的Gires-Tournois(GTI)干涉模型提出了基于超构表面的广义GTI模型,在此基础上结合悬链线电磁理论通过改变单元结构的几何参数引入高阶的谐振相位,这类非线性相位是实现连续消色差关键。通过扫描大量单元结构建立单元结构数据库,利用优化算法针对不同应用需求对单元结构排布进行自动优化,避免了传统设计方法需要人工排布单元结构的繁琐步骤。为了验证该原理的有效性,面向实际应用需求,研究人员设计了宽带消色差天线和地毯式cloak。仿真和实验结果均表明所设计的厚度为2mm (λ/9)的地毯式cloak在10.7 GHz到16.6 GHz带宽内均能呈现出平地的电磁散射特性,其相对工作带宽大于40%,远高于同类型器件。同时,制备的宽带平面天线可以直接代替现有的商用天线实现对卫星电视信号的接收。由于采用了宽带消色差设计,因此该天线可以高质量的接收所有电视频道,其收视效果与商用天线几乎没有差别。

本研究提出的针对微波波段的宽带连续消色差新方法提供了一种扩宽现有超构表面器件工作带宽的新思路,在微波通信、雷达电磁特征控制等方面具有重要的应用前景。相关论文发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201801480)上,第一作者为光电技术研究所博士生黄奕嘉。