数字超表面:让电磁波调控变得更灵活

近年来,超表面依靠其特殊的人工结构,展现出对电磁波高效多样的调控能力。其中数字编码超表面突破性的将数字信息用以表征超表面的物理特征,用不同的比特位数字表征超表面所反射电磁波的相位信息。通过设计不同的编码排布序列,将丰富的数字信息赋予之前传统物理层面的超表面,使得超表面可进行数字信号的处理。而将超表面结构单元与二极管等有源器件结合后,通过控制有源器件的工作状态,可对数字超表面实时操控以实现不同功能的电磁波调控,由此为新型通信系统构建提供支撑,因而也得到了广泛的关注。但是,目前的数字编码超表面在电磁波的调控效率上存在一定的瓶颈,在具体某些情况下调控效率下降明显,解决这一问题将打破这一限制,使得数字编码超表面对电磁波的调控变得更加完美。

近期,东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授团队(第一作者为硕士研究生景洪波)创新性地将阻抗匹配观点引入超表面数字编码序列中,进一步利用预先设计的八个3比特编码单元有效简化序列设计过程,从而显著地提高了数字超表面对于电磁波的反射效率。通过编码单元的不同排布,保证正入射的电磁波在28°,38°,48°和70°四种反射角度的高效反射,其中反射效率均大于90%,从而使得异常反射变得完美,因此超表面的调控能力也得到了明显提升。从实际应用角度来看,该工作所包含的新思想同样适用于透射波的完美调控,在提高数字超表面对电磁波的调控效率方面具有重要的借鉴意义。需要说明的是,由于超表面设计所引入的离散特性使得完美反射存在一定的角度指向误差,同时实时可控的完美反射超表面也需要后续研究。但是有充分的理由相信,数字超表面所展现出来的潜力定能让人类对电磁波的调控变得越来越完美。

相关文章在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201801742)上。

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