Laser & Photonics Reviews:极化驱动型超构表面设计—多模集成涡旋角动量的高效激发

携带轨道角动量的涡旋波束,由于其自身潜在的优质特性而被广泛地应用和研究。基于超构表面平台激发多模轨道角动量前目前已逐渐成为产生涡旋波束最高广泛、最高效的方法之一。传统基于Pancharatnam–Berry(PB)相位调控原理的几何超构表面只能在圆极化的交叉极化出射场中附加涡旋波束的空间相位函数,然而对于正交的圆极化状态来说,其出射相位响应存在着无法避免的耦合对称性,即涡旋的拓扑电荷数互耦对称。在超构表面的设计过程中,不论是采用共面分割的方法,还是利用特殊结构的非线性频率响应,都无法有效实现圆极化出射场所有极化通道的同步且独立控制,这一缺陷极大地限制了圆极化传输通道的开发,同时也限制了轨道角动量的同步激发数量。

哈尔滨工业大学张狂副教授团队与法国Shah Nawaz Burokur教授团队合作提出了一种极化驱动型的多模集成涡旋波束的高效激发方式,基于非交错分布的超构表面,通过改变入射端口与出射端口的极化状态,便可获得具有高纯度,高效率的整数或奇数模式涡旋波束,首次提出了出射场中共极化分量的利用方法,极大程度地提高了圆极化传输通道的利用效率。文中首先阐述了极化驱动型超构表面的工作原理,以琼斯矩阵为理论模型,深入分析了亚波长单元结构在不同极化通道中幅度及相位响应的控制原理。该研究以微波波段等效滤波器为理论模型,设计了多层非谐振的小型化亚波长单元结构,由五层金属和四层介质交替排布组合而成,其中奇数层金属为开有三条平行缝隙的矩形贴片,该矩形贴片结构则是同步利用出射场中共极化和交叉极化分量的关键因素。通过有机结合传输相位和几何相位调控方法,多种整数模式轨道角动量的空间相位分布函数可分别被加载于正交的圆极化传输通道中。基于圆极化通道的耦合原理,携带不同极化状态的出射分量可通过等比加权的叠加方式实现奇数模式轨道角动量的高效激发。基于此原理设计的非交错分布超构表面,在测试系统中,当入射端和出射端的极化状态分别为左旋圆极化(left-handed circular polarization, LHCP)、x方向线极化(x-linear polarization)和右旋圆极化(right-handed circular polarization, LHCP)时,便可分别获得l (轨道角动量模式数)= 1, 1.5, 2, 2.5, 3等五种不同模式的高纯度涡旋波束。

该项研究工作有效利用了圆极化出射场中的共极化和交叉极化分量,同时激发了五种独立模式的轨道角动量。该项设计为无线通信系统的信息扩容技术提供了可靠的理论支撑,并且为可重构天线的波束赋形技术奠定了理论基础。相关研究工作以 “Polarization-Engineered Noninterleaved Metasurface for Integer and Fractional Orbital Angular Momentum Multiplexing”为题目,发表在Laser & Photonics Reviews上(DOI: 10.1002/lpor.202000351)。