Advanced Optical Materials:超构表面对电磁波辐射方向、自旋态和能量分布的多维调控

在电磁环境日益复杂化以及通信设备集成化、小型化的趋势下,信息无线通信的载体——电磁波的调控技术发展变得至关重要,这也对电磁波调控器件的设计提出了更高的要求。近年来,超构表面作为一种由亚波长谐振结构组成的人工复合材料,因其轻薄、高效、易集成的特点受到研究人员的广泛关注,为电磁功能器件的研制提供了新的思路和方法。随着电磁超构表面的研究与发展,实现对电磁波频率、振幅、相位和极化态等多个维度的自由操控,进而实现多个电磁调控功能的集成化设计已成为目前该领域内的研究热点之一。相比于单一功能的电磁超构表面,多功能电磁超构表面能够在有限空间内实现电磁功能的叠加与复用,可以有效地提高通信系统的传输效率和传输容量,满足现代通信系统对器件小型化、集成化、高速化的要求,有望在下一代通信技术中发挥重要作用。

图1 透射型超构表面对电磁波辐射方向、自旋态和能量分布的多维调控示意图。

最近,南京大学电子科学与工程学院的研究团队提出了一种多功能透射型超构表面设计方法,并实现了对电磁波辐射方向、自旋态和能量分布的多维调控,如图1所示。在该工作中,首先通过对圆极化波解耦调控的理论分析,并利用多层阻抗表面级联的形式构建了高效的功能基元,从而实现了对左旋和右旋圆极化电磁波透射相位的完全解耦合调控。在此基础上,作者利用智能算法由目标功能出发进行自上而下式逆向设计超构表面,并通过优化超构表面功能基元的物理尺寸、旋转角度以及空间排布序列,实现了对电磁波辐射方向、自旋态和能量分布的独立、任意的控制。

该研究成果为研制多功能电磁器件提供了新的有效途径,有望应用于波束赋形、多目标跟踪和无线通信等方面,且该设计方法具有良好的可扩展性,能为太赫兹和光波段超构表面提供新的设计思路,因而应用前景广泛。

相关工作以“Independent Energy Allocation of Dual-Helical Multi-Beams with Spin-Selective Transmissive Metasurface”为题,发表于学术期刊《Advanced Optical Materials》(DOI:10.1002/adom.202000342)。南京大学博士生丁国文为论文的第一作者,陈克副研究员与冯一军教授为论文的共同通信作者,南京大学赵俊明教授、姜田教授,以及南京邮电大学的王正斌教授也参与了该工作。