基于超表面波带片的远场偏振全息加密

超表面是一种具有灵活的偏振操纵功能的新型材料。为了获得远场偏振全息图像，通常需要添加透镜等光学元件。笔者利用超表面波带片的灵活偏振操纵及聚焦功能实现了一种新颖的远场偏振全息加密技术。在该技术中，两个自旋复用的超表面波带片被集成到单个介质超表面器件中，其中超表面的振幅（右旋圆偏振转化率）用来编码奇数和偶数环形区域的波带片，而其相位调制则用来编码透射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的两个全息图。此外，二维码（QR码）和振幅型/相位型全息图用于进一步隐藏加密信息，以提高信息的安全性。所提加密技术有望进一步提升数据安全性和隐私保护水平，推动光学信息加密和高密度数据存储等领域的技术发展。     

双通道偏振复用可擦除介质型全息超表面

为进一步增强加密或存储器件的实用性与安全性，设计并实现了一种多通道偏振复用的相变全息超表面，通过在多通道全息超表面设计中引入相变介质，实现了动态的可擦除功能。当耦合相变介质层处于非晶态时，所构造的编码超表面可以产生两个独立成像的全息通道。当相变介质变为晶态时，决定相位调控的交叉偏振被关闭，对应的相位编码“被擦除”。     

多维度超表面及其在信息加密防伪上的应用

超表面是一种厚度在亚波长或波长量级的人工层状材料。可通过调控超表面单元结构上的大小、形状、转角、位移量等自由度，实现对电磁波频率、振幅、相位、偏振等特性的灵活有效调控。超表面具有超薄、宽带、低损耗、易加工、灵活设计，功能强大等特点。文中综述了具有单维度、双维度、多维度光场调控功能的超表面及其在外部激励作用下具有主动可调特性超表面的发展历程，并特别介绍了这些超表面用于信息加密防伪领域的实现方式与优势特点。相比于传统的信息加密防伪技术，超表面信息加密防伪术具有亚波长像素，精密控制，安全系数高等特点，展现了全新视角，拥有广阔的发展前景。     

基于信息超表面的无线通信（特邀）

信息超表面由于其强大的处理空间电磁波的能力,成为国内外物理和信息领域的研究热点之一。文中主要介绍信息超表面在无线通信领域的一系列研究进展。信息超表面能实时操控电磁波及直接处理数字编码信息,并进一步对信息进行感知、理解,甚至记忆、学习和认知,这使其在无线通信领域展现出巨大潜能。文中首先介绍信息超表面在承担无线中继职能时所涉及的信道建模研究进展、以及其对信道的改善作用;其次介绍信息超表面在新体制发射机中的应用,通过对入射到信息超表面上的载波进行幅度或相位调制,实现了多种简化的发射机架构。此外,文中还介绍了利用信息超表面近场、远场以及散射场等信息,实现了多种新型无线通信系统。最后,文章对基于信息超表面的无线通信进行了总结和展望。     

基于编码电磁超表面的Bessel波束设计

编码电磁超表面构成信息超材料研究领域的一个分支. 文中提出了基于编码电磁超表面的Bessel波束产生设计方法，为Bessel波束的产生与调控提供了新的解决方案；同时对基于电磁超表面的Bessel波束产生与设计的基本方法进行了梳理总结. 首先通过反射型编码电磁超表面分别设计了不同类型的Bessel波束，包括单波束零阶Bessel波束、双波束零阶Bessel波束、单波束高阶Bessel波束以及双波束高阶Bessel波束；然后对于每一种类型的Bessel波束分别对应给出了有关的设计理论和方法，并通过全波电磁仿真的方法进行了相应的仿真验证；最后，鉴于信息超材料技术的发展，基于编码电磁超表面的Bessel波束设计可以进一步地应用于信息超材料有关的系统设计，如近场无线信息/能量传输、近场雷达探测与成像，这也为信息超材料提供了一种可供选择的应用场景.     

编码超表面远场散射波束调控设计

针对编码超表面远场散射波束的调控，在对相互正交方向的序列进行设计的基础上，利用加法规则，可快速得到超表面的编码序列.加法规则的利用，可减少编码个数，降低设计难度，方便实现对超表面远场散射波束的设计.论文采用金属小棒结构作为超表面单元，进行了实例分析.结果表明，提出的编码序列设计方法，可以有效融合两个正交方向编码序列的散射特性，灵活调控超表面上半空间的散射场.研究方案在通信和雷达等领域具有广泛的应用前景.     

基于电介质超表面的光场复振幅调制及应用

超表面作为一种人工设计的二维阵列纳米结构,能够在亚波长尺度上实现光场波前振幅、相位和偏振态的灵活调控,为现代光学器件的小型化、集成化提供了全新的实现途径。随着光学成像、显示等应用的发展,在可见光波段具有高工作效率的微型光学器件的需求日益凸显。近年来,由高折射率、低损耗电介质材料制备的光学超表面得到了极大地发展,在消色差光学超透镜、偏振相关全息显示等方面展现出广泛的应用前景。文中围绕电介质超表面的相关研究,首先介绍广义斯涅耳定律及电介质超表面结构调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾近年来关于光场波前单一参量调控和多参量联合调控在全息显示、结构光场产生等方面的研究进展,最后讨论电介质超表面发展的可能挑战与前景。     

一种实现任意偏振调控中波红外消色差超表面的正向计算方法

人工微结构超表面近年来在偏振调控与色散调控领域都取得了诸多进展,然而传统方法计算超表面结构对椭圆偏振态的调控效果需要对每一个数据求解方程,因此实现任意偏振的消色差调控依然在复杂度上是一个挑战。一种基于坐标变换的正向计算方法用以快速计算超表面单元对任意偏振态的调控效果被提出,利用纯硅体系下的椭圆柱结构作为调控单元设计了工作在中红外波段的对椭圆偏振态调控的消色差聚焦超表面透镜。结果表明,此种方法与设计在极大简化计算流程的情况下,能够有效实现对椭圆偏振态的操控。相比于之前所报道的基于圆偏振或无偏振依赖的设计,该方法进一步拓展了超表面色散调控的应用范围,具有广阔的应用前景。     

融合计算全息术与纳米印刷术的多功能超表面研究进展

计算全息术与纳米印刷术是超表面材料的两种典型应用。近年来,融合全息术与纳米印刷术的多功能超表面成为新兴研究热点,有望在多重光学防伪、信息编码与复用、多通道图像显示、VR/AR等领域得到重要应用。文中在介绍超表面纳米印刷术和计算全息术特点的基础上,将实现两者融合的研究进展进行了详细的归类和特点分析,具体包括:正交偏振复用法、平面合成法、空间堆叠法、光谱+相位调控法、复振幅法、转角简并性法等。最后,对多功能超表面的研究前景进行了展望。     

太赫兹波束可调谐的编码超表面设计

编码超表面可以通过编码序列设计对波束进行灵活调控,文中提出一种基于二氧化钒(VO₂)的可调谐太赫兹编码超表面. 设计中借助可调谐单元与不可调谐单元,通过VO₂由绝缘态到金属态的相变,在0.97 THz处实现了多种远场波束的动态切换. 此外,还设计了双频带太赫兹编码超表面,在0.97和1.97 THz两个不同频率下均可实现双波束. 这项工作为设计可调谐编码超表面、实现波束间灵活调控开辟了一条新的途径,将在通信和雷达领域具有广泛的应用前景.     

基于超表面的远场多波束调控综述

超表面作为二维的的超材料,在保留其对电磁波调控能力的同时,具有剖面低、损耗小、易与其它器件集成的优点。自广义斯涅耳定律被提出以来,传统由透镜和棱镜等光学元件沿传播路径逐渐积累的相变方式开始被离散相位取代,极大地提升了超表面设计的灵活性。通过对超表面局部幅度和相位信息进行调控,可以改变入射波的传输方向,使其朝着不同方向传播。文章首先简要概述几种实现多波束激发的超表面平台,然后介绍了基于超表面平台对远场波束多波束调控的前沿进展,并对未来发展方向进行了展望。     

聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜

基于超表面对光波的振幅、相位和偏振进行调控来实现聚焦与成像的超透镜受到广泛关注。设计了一种聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜，并进行了理论分析和仿真验证。仿真结果表明，该超透镜能有效地将圆偏振入射光聚焦到半高宽为0.44λ的光斑上，对应的数值孔径高达0.95。此外，通过改变入射光的偏振态，可以灵活地调制两个焦点的相对强度，而不同于以往的双焦点超透镜需要对光强进行重新组合。更重要的是，当圆偏振光入射时，它的聚焦效率可达65%，可适用在0.8~1.2 THz的较宽频率范围和0°~20°的入射角内，同时该工作为多焦点超透镜的设计提供了重要思路，也将在多成像系统、光学层析成像技术等许多领域具有较高的应用价值。     

从远场到近场：太赫兹超表面波前调控

太赫兹是电磁波研究中的前沿热点之一，在通信、雷达、生物化学检测等方面有巨大的应用前景。人工电磁材料，特别是超表面的出现和发展，为太赫兹的高效波前控制提供了新的思路和方法。从太赫兹电磁场空间分布的角度出发，阐述了目前超表面在太赫兹波段波前调控的相关工作和方法，对比和讨论了太赫兹远场和近场波前调控的多类应用场景和调控方法，对太赫兹超表面波前调控的发展前景进行了展望，为研究太赫兹波前调控提供了新思路。     

基于超表面操控的偏振信息探测技术研究进展

偏振是光的固有属性,当光与物质发生相互作用后,通过解构偏振态变化,可以获取材料组成和结构的重要信息。这一特性使得光的偏振具有很高的研究价值和应用前景。近年来,偏振成像、偏振信息等研究领域蓬勃发展,引起国内外学者的广泛关注。高效地获取偏振信息是该领域发展的关键技术,然而传统的偏振信息探测及获取方案有着各种不足,制约了偏振信息技术的持续化发展。超表面技术使得人们得以根据需求操控光的相位、振幅、偏振等,同时具有微型化和集成化的优势。文中以全矢量偏振信息的获取为出发点,以基于阿基米德螺旋结构的圆偏振探测器为引子,主要介绍基于超表面结构实现偏振信息探测技术的发展过程及研究现状,包括金属超表面偏振探测器、介质超表面偏振探测器以及超表面偏振成像等研究内容,最后展望了基于超表面结构的偏振信息探测技术未来的发展趋势。     

基于超表面的阵列光场纵向维度信息编解码

随着大数据时代的到来，空间光通信已被广泛应用于各种通信系统中，但随之而来的是容量瓶颈的挑战。基于光场频率、时间、偏振、横向空间模式等维度调控的信息编解码方法在解决容量问题方面展现了优异性能，但光场的纵向维度却未被应用于信息编解码。针对此问题，本文提出了一种基于电介质超表面的光场纵向维度信息编解码新方法，基于四原子结构的几何相位和传输相位联合调控，实现了透射场自旋相关的复振幅调控。同时，利用光学冻结波原理产生了轨道角动量模式叠加态的纵向可控变化，并验证了光场模态的纵向调控能够以指数级提升信道中的模态容量。纵向维度作为一个全新的编码自由度，有望进一步提高自由空间光通信性能。     

偏振特异的聚焦和波前保持的双模超表面

设计出一种对左旋和右旋圆偏振光产生各向异性相位调制的双模超表面器件。该器件在改变硅纳米柱尺寸进而调控传输相位的同时,改变了其面内旋向获得附加的几何相位。由于两种相位的结合,入射到超表面器件的右旋圆偏振光实现了44.8%的聚焦效率,而对于入射左旋圆偏振光,则保持其平面波前透射。该超表面器件作为小型化偏振器件可应用于信息加密传输等领域。     

数字编码超表面:迈向电磁功能的可编程与智能调控

数字编码超表面是超材料与超表面领域的重要研究分支。通过数字编码方法替代等效媒质理论来表征超表面，不仅有效简化了超表面设计，而且建立了数字信息与超材料物理的联系。该文系统梳理数字编码超表面的发展历程，重点介绍其在可编程与智能电磁调控领域的最新研究进展。首先，详细介绍数字编码超表面的基本概念以及基于数字编码超表面的信息论研究；然后，具体介绍可编程超表面的工作原理和实现方式以及可编程超表面的不同研究方向，包括辐射式可编程超表面、多维度可编程超表面、时域数字编码超表面与新体制通信系统；接着，介绍智能超表面的最新研究进展，展示其环境感知与自适应电磁调控能力；最后，对超表面的未来发展进行讨论与展望。      

新型功能超颖表面波前调制技术的发展与应用(特邀)

超颖表面作为一类智能表面,通常由特殊设计、加工而得到的特征尺寸接近或小于波长的亚波长纳米天线阵列构成。超颖表面能够实现光场的振幅、相位和偏振的人为调控,具有超薄、超小像素、宽带、低损耗、易加工等优势,设计灵活,功能强大。文中针对超颖表面在全息显示、波前调制和偏振转换、主动可调、非线性波前调控等方向进行综述,并展望未来发展趋势。超颖表面作为一种超薄的、微型化的波前调制器件,具有极大的信息容量,且更能适应未来高度集成的微型光电系统的发展要求,在全息显示、光束整形、涡旋光束的产生、数据存储、加密与防伪、超透镜与色散控制、彩色印刷、非对称传输、非线性光学、光的自旋霍尔效应、光通信与集成光电子学等应用领域提供了潜在的可行性和新的视角,有望取代传统光电器件,展现出了广阔的发展前景。     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。     

面向近红外成像超透镜的设计与仿真北大核心CSCD

由亚波长单元结构组成的超表面是近年来平面光学透镜的重点研究对象,而由超表面组成的平面超透镜与传统透镜相比,在相位调控、偏振操控、全息成像、负折射率隐身等领域有显著优势。鉴于平面超透镜的微型化、轻量化和易集成化等方面的优势,而传输型相位调控原理更加适于近红外波段的应用,且对入射光偏振态无特殊要求,本文采用时域有限差分方法(FDTD)设计并优化了一种硅基的近红外波段的超透镜。所设计的超透镜焦距为15μm,直径为20μm,所达到的数值孔径(NA)为0.56,聚焦效率为68.3%,适用于所有入射偏振且在目标波长为700 nm范围内聚焦性能优良。本文研究结果为实现近红外超透镜轻薄化和平整化提供了新思路,有望优化红外探测器镜头的设计,提高红外探测的效率。