Advanced Functional Materials:应用纯相位型超表面实现电磁场分布的全状态综合

幅度、极化和相位是表征电磁场的基本参量。近些年来,设计和应用人工材料(也称为超材料)调控电磁波的空间分布在科学和工程领域吸引了极大的关注。作为超材料的子类,超表面是由亚波长的单元构成的阵列,具有低剖面、低重量、设计简单、易与载体平台集成等优点,因而广为青睐。与计算机全息术结合后,超表面成为了复杂成像和场分布控制的有效工具。现有全息超表面分为两种类型:第一类基于超表面单元对透/反射场的相位调制(包括最近被提出的矢量全息超表面),此类超表面具有较高的能量效率,但借助现有设计理念无法实现对观测区内场的相位的控制; 第二类基于超表面单元的幅度和相位调控,此类超表面可以同时控制观测区内场的幅度和相位,但缺点是能量效率低(通常低于百分之十)。

应用超表面实现对电磁场空间分布的全状态操控并保持高的能量效率对于三维显示、体打印、以及立体干涉光刻等应用具有重要意义。东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军院士团队对此问题进行深入研究,首次提出应用高效率的纯相位型超表面实现观测区域内场幅度和相位分布的同时和独立调控,观测区域内各点的场可以拥有独立的幅度和相位,并且场的正交分量的也可以有不同的分布,以产生随空间位置变化的极化状态。为此,团队将深耕多年的计算电磁学与超材料设计两个方向进行有机融合,发挥前期工作积累的电磁建模和数值计算优势,创新性地应用等效模型和梯度导向的高效率非线性优化方法寻找大规模超表面的相位编码形式,开辟了应用高效率全息超表面实现复杂场控制的新途径。全波电磁仿真和实验测量表明,应用该途径设计的纯相位超表面的能量效率达到了传统幅相型超表面的近十倍,并具有相当的全状态场调控效果。

值得强调的是,该路径利用惠更斯原理(Huygens’ principle)对超表面单元进行等效,虽然所设计的纯相位超表面属于惠更斯超表面,但特别的是该路径直接优化超表面阵列的相位编码形式,因而自然满足局部能量守恒的条件,进而克服了惠更斯表面的传统设计过程中由广义临接条件(GSTC)导致的无源性和无耗性缺失。

该工作得到了国家重点研发计划、自然科学基金、高等学校学科创新引智(111)计划、以及国际交流与合作基金的支持,相关论文在线发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202004144),第一作者为团队青年教师武军伟博士。