Advanced Optical Materials:非Euclidean形状超表面三维地毯隐身斗篷

超表面通常被认为是超材料的二维形式,通过在界面引入亚波长单元决定的相位突变可以实现对电磁波的任意操控。超表面设计方法为许多新颖的物理应用特别是地毯隐身斗篷的设计提供了强有力的设计方法。基于超表面隐身斗篷的研究取得了很大的进展,有力地对推动了隐身斗篷的发展。然而,这些超表面隐身斗篷因为在不同极化波入射时单元的局部相位分布的微小变化导致其隐身性能差异很大;同时,已有的超表面隐身斗篷研究大多因具有二维Euclidean形状而只能在特定方向产生隐身性能。如何消除超表面隐身斗篷在不同极化模式下的性能差异及实现全方位角度的隐身性能是亟待解决的关键难题。

西安交通大学机械工程学院梁庆宣、陈天宁和李涤尘等针对这一问题利用球形结构完美的旋转对称性完全抵消极化转换和方位角变化过程中造成的相对几何关系变化,实现了具有全极化和全方位角隐身性能的三维非Euclidean形状超表面隐身斗篷。相关结果发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.202000827)上。 为了使超表面隐身斗篷获得更为稳定的隐身性能,采用具有完美旋转对称特性的非Euclidean球面作为外形,赋予了超表面隐身斗篷对极化与入射方位角完全不敏感的特性。 该研究团队在微波频段设计并制备了非Euclidean球面超表面隐身斗篷,其形状的完美对称特性在单元布局中得到继承,赋予了超表面隐身斗篷稳定的电磁性能。实测结果表明:垂直入射时,极化的改变对非Euclidean形球面超表面隐身斗篷隐身性能带来的波动在3.8%以内;15°斜入射时,极化与入射方位角同时改变也仅能使隐身性能发生3.2%的震荡,有力地证明了非Euclidean形球面超表面隐身斗篷对入射波极化与方位角完全不敏感的特性。非Euclidean形球面拥有平滑的外形过渡,特别是顶部较小的形状变化率有利于相位分布对几何特征的描述,使超表面隐身斗篷的隐身性能在稳定的基础上得到了提升:垂直入射时,最大RCS缩减平均为–10.7 dB,3 dB可用带宽则在25%左右;15°斜入射时,最大RCS缩减平均为–12.5 dB,3 dB可用带宽约有28%。 非Euclidean球面超表面隐身斗篷赋予了超表面隐身斗篷稳定的电磁性能,同时验证了选择合理外形能够提升隐身性能的结论,为未来性能更为优异的隐身斗篷、幻觉器件或其他类型超表面的设计奠定了基础。