基于透射型几何相位编码超表面的太赫兹波束自由操控

为了实现太赫兹波束的自由操控,基于Pancharatnam-Berry几何相位理论,提出一种多层C型单元结构,实现在目标频率下0到2π的太赫兹波透射传输相位调控。基于广义斯涅耳定律,构建2-bit和3-bit编码超表面,在圆偏振入射条件下,实现透射型太赫兹波束的散射角度调控。采用数字信号处理理论中的傅里叶卷积运算,对不同周期序列的编码超表面进行四位制编码卷积运算,获得新的编码序列,实现对透射太赫兹波散射角度的自由调控。利用多层C型编码超表面单元结构对其进行旋转编码,实现1阶和2阶涡旋相位板,产生不同阶数太赫兹波涡旋光束。     

太赫兹多波束调控反射编码超表面

已报道的大多数编码超表面仅利用相位或幅度编码进行电磁波调控,限制了太赫兹波调控灵活性.本文提出了一种反射超表面单元,通过相位编码构造超表面,在圆极化波入射下获得反射波束分裂和偏转功能,实现对圆极化波束的灵活调控;同一超表面单元结构利用幅度编码构造超表面在线极化太赫兹波入射下,实现空间成像功能.通过相位编码和幅度编码结合构造超表面,提高了对太赫兹波操控的灵活性,该编码超表面构造思路可以为太赫兹器件设计提供一种全新思路.     

单层高效透射型相位梯度超表面的设计及实验验证

本文设计了一种单层高效透射型相位梯度超表面,并通过仿真和实验进行了验证.在圆极化波入射条件下,超表面单元的交叉极化转化率大于90%的频带范围为14-15.8 GHz.通过对单元的面内旋转可实现在保持高交叉极化透射幅度的前提下对交叉极化透射相位进行调控.基于6个旋转步进为300的超表面单元周期排布设计了一维相位梯度超表面,该超表面对左/右旋圆极化波分别形成方向相反的相位梯度,因此线极化波经过超表面后将会分离成两束对称传播的圆极化波15 GHz处的近场电场分布和远场归一化透射能量方向图的仿真结果表明,奇异透射角仿真值为33.50,与理论设计值(33.75°)符合得很好.仿真并测试了透射功率密度谱,结果表明在14.9-15.3GHz频带范围内垂直入射的线极化波被高效分离成两束圆极化波.相比于以往的透射型极化调制超表面,该超表面具有工作效率高、厚度薄、重量轻等优点,在电磁波传播和极化操控领域具有重要的应用价值.     

单层超薄高效圆极化超表面透镜

针对超表面在透镜方面的应用, 本文设计了一种交叉极化透射聚焦超表面, 实现了将圆极化波转化为交叉极化波的同时聚焦电磁波的功能. 设计了一款旋转型单元, 单元为一层且厚度仅为1.5 mm, 分析了旋转型单元提供不同相移的原理并设计了相邻单元相移差为60°的相位梯度超表面, 在中心频率f=15 GHz附近发生奇异折射, 折射角与理论计算结果一致, 验证了设计单元的有效性, 基于该单元设计了尺寸为90 m mm×90 mm、单元数为15×15 的透射型聚焦超表面, 在中心频率f=15 GHz附近, 左旋圆极化平面波照射时, 透射波聚焦于L=40 mm 的实焦点且透射波为照射波的交叉极化波. 该超表面透镜效率高、厚度薄且为单层, 易于加工, 相对于传统透镜, 优势明显, 在操控电磁波、改善透镜性能方面有潜在应用价值.     

基于超表面的多波束多模态太赫兹涡旋波产生

太赫兹涡旋波束可以被用于高速通信及高分辨率成像,其产生方式近年来受到了越来越多的关注.本文提出了一种反射型超表面,它可以在太赫兹频段产生四种不同模态的涡旋波束.超表面单元结构基于几何相位原理,由三层结构组成,上下两层为金属结构,中间层为介质,其上层金属结构由圆环及椭圆贴片构成.利用几何相位对圆极化波的调控作用,可以实现由线极化波到圆极化波的分解,并实现对不同圆极化波的灵活调控.为了同时调控反射波的偏转方向,本文利用平面反射阵列原理来计算每个超表面单元所需的相位补偿.通过相位叠加原理,在不同传播方向的波束中叠加不同模态的轨道角动量,较好地实现了太赫兹频段复杂波束的调控效果.仿真及测试结果表明设计的超表面能够在太赫兹频段产生带有±1和±2模态的4个波束,在无线通信及高分辨率成像等方面有潜在应用价值.     

基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生

提出了一种基于双开口谐振环单元结构超表面的太赫兹宽带涡旋光束产生器.该结构由金属-电介质两层构成,位于顶层的是基于双开口谐振环单元结构的超表面,底层为介质层.对单元结构阵列进行数值仿真,圆偏振的入射光可以被转换成相应的交叉偏振透射光,通过旋转表层金属谐振环,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位.这些单元结构按照特定的规律排列,可以形成用以产生不同拓扑荷数的涡旋光束的涡旋相位板.以拓扑荷数1和2为例,设计了两种涡旋相位板,数值分析了圆偏振波垂直入射到该涡旋相位板生成交叉圆偏振涡旋光束的特性.结果表明,在1.39—1.91 THz的频率范围内产生了比较理想的不同拓扑荷数的涡旋光束,且透过率高于20%,最高可达到24%,接近单层透射式超表面的理论极限值.     

可切换频段的太赫兹编码超表面

依据Pancharatnam-Berry(PB)相位原理提出了一种可切换频段的太赫兹编码超表面,其顶层是金属-二氧化钒（VO2）复合结构层,中间是聚酰亚胺介质层,底部为纯金属反射层。编码超表面单元按不同的编码序列排列构成的编码超表面,可以产生多种太赫兹波束形式,并且随着VO2的相变,可以在不改变原波束形式的情况下实现从单频段到双频段的切换功能。通过设计不同的编码序列,令编码超表面分别产生了涡旋波和散射波,对于垂直入射的右旋圆极化波（左旋圆极化波类似）：当VO2处于绝缘态时,在频段1.17～1.37 THz处可以产生与编码序列所对应的波束形式;当VO2相变为金属态时,在0.87～0.92 THz和1.4～1.6 THz两个不同频段处分别获得与VO2处于绝缘态时相同的波束形式,进一步拓宽波束产生的频段。所提出的编码超表面利用了VO2的相变特性增加了太赫兹工作的频段,为实现频段可切换的太赫兹编码超表面提供了思路,在太赫兹波束调控中的调频方面有一定参考意义。     

基于新型钙钛矿材料的光场调控太赫兹超表面仿真研究

为实现高效太赫兹调控，迫切需要一种高效且成本低的材料。新型钙钛矿材料由于其优异的光电特性，加上钙钛矿制备工艺简单、可大批量生产等优点，非常适合作为太赫兹超材料的活性材料，通过外部激励改变活性材料的属性，可灵活调控太赫兹波。因此，选择新型钙钛矿材料外加光场调控太赫兹，分析在光场作用前(绝缘态)和在光场作用后(金属态)两种状态对单元结构太赫兹宽波段下幅值和相位的影响。设计出光场灵活调控的钙钛矿基1 bit太赫兹编码超表面结构，该结构由有机无机杂化钙钛CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃)、聚酰亚胺和铝构成。通过CST仿真结果显示，该超表面结构在光场的调控下能够实现宽谱(0.1、1、2、6 THz)太赫兹波的180°相位差变化，经过超表面编码结构的设计，同一编码序列实现远场波束的变换。研究结果表明，基于光场操控钙钛矿材料的编码超表面为实现灵活的太赫兹波调控提供了新的思路，在太赫兹通信、安检、生物医学成像等方面具有巨大的应用潜力。     

基于空间编码结构光源的2 bit光控可编程太赫兹超表面

设计了一种可由空间编码结构光控制的多功能太赫兹超表面单元，该单元由嵌有光敏半导体材料的金属裂环-二氧化硅介质层-金属底板组成。超表面单元通过结构光源的编码控制光改变单元顶层金属裂环内嵌光敏半导体的电导率来模拟不同形状的C形环，实现了具有2 bit相位编码的光控超表面单元设计。将超表面单元组成阵列，通过编码结构光的空间分布进一步实现了角度可控的异常反射，并获得不同阶数的涡旋波束。所提出的基于空间编码结构光源的新型太赫兹超表面光控方式解决了现有光控超表面功能单一、加工难度大等问题，为光控可编程太赫兹超表面技术发展提供了新的思路。     

基于四波混频效应的窄带太赫兹波源

采用频率差在太赫兹范围的双波长激光器进行泵浦,利用光纤的四波混频效应,得到结构紧凑、频率可调的窄带太赫兹波源。为减小光纤材料对太赫兹波的吸收,采用了表面发射机制。从耦合波理论出发,详细分析了保偏光纤中的四波混频过程,得到了太赫兹波输出功率的解析表达式,并讨论了实现相位匹配的条件。结果表明,太赫兹波功率与泵浦光功率和光纤长度成正比,与太赫兹波长的3次方成反比。当泵浦光峰值功率为1 kW,在6 THz处得到的太赫兹波峰值功率达350 mW,功率转换效率约为0.01%。通过合理设置泵浦波长,可以实现太赫兹辐射在3~8 THz范围内连续调谐。该方案提供了一种新型的高功率、紧凑型的窄带太赫兹辐射源。     

基于石墨烯的太赫兹波散射可调谐超表面

设计了一个可调谐的太赫兹超表面,由在随机反射超表面基底中嵌入可偏置的双层石墨烯构成,可以实现对太赫兹波散射特性的动态调控.全波仿真试验结果证实了所预期的超表面散射可调性能.通过增大偏置电压提升石墨烯的费米能级,使得该超表面的太赫兹波散射样式从漫反射逐渐向镜面反射过渡,从而实现散射特性的连续调控,且该超表面具有对电磁波极化角度不敏感的特点.这些特性使得该超表面能很好地融合到变化的环境中,在太赫兹隐身方面具有潜在的应用价值.     

Mathematical Operations of Transmissive Near Fields Controlled by Metasurface with Phase and Amplitude Modulations

Metasurfaces show great potential due to their powerful ability to manipulate electromagnetic waves as desired, which has been widely investigated in the microwave, terahertz, infrared, and visible regimes. Here, it is proposed to control near-field distributions through use of a metasurface with both amplitude and phase modulations. A C-shaped particle is designed to provide stable and continuous amplitude and phase profiles independently of transmitted waves by varying its opening and orientation angles. Benefiting from both amplitude and phase modulations on the metasurface, differentiation and integration on electric-field distributions can be achieved by changing the arrangements of complex coefficients on the metasurface. Besides, the differential operation can be utilized to show the edges of predesigned electric-field distributions. It is believed that the proposed method will accelerate the pace of metasurfaces towards many applications by engineering and operating the near-field distributions.     

Switchable vortex beam polarization state terahertz multi-layer metasurface

We propose a switchable vortex beam polarization state terahertz multi-layer metasurface, which consists of three-layer elliptical metal crosses, four-layer dielectrics, and two-layer hollow metal circles, which are alternately superimposed. Under the normal incidence of left-handed circularly polarized (LCP) wave and the right-handed circularly polarized (RCP) waves, the proposed structure realizes three independent control functions, i.e., focused and vortex beam, vortex beam with different topological charges, and polarization states switching, and azimuth switching of two vortex beams with different polarization states. The results show that the proposed metasurface provides a new idea for investigating the multifunctional terahertz wave modulation devices.     

多功能太赫兹超表面偏振控制器

本文提出了一种“金属栅-开口环/硅环-金属栅”结构的透射式超表面偏振控制器, 研究了入射角度和抽运光对该器件传输及偏振态控制性能的影响. 研究结果表明, 当线偏振太赫兹波垂直入射时, 可对0.39-1.11 THz频段的太赫兹波实现偏振方向90°旋转, 偏振旋转效率为99%, 损耗为1 dB. 对于斜入射的情况, 偏振转换性能在0-60°范围内基本保持不变, 且透过率达到90%以上. 同时, 通过调控抽运光强度的方式, 该器件能够实现对透射与反射太赫兹光束的强度调制, 调制深度均达到90%, 且可以实现太赫兹波偏振分束功能. 该器件可以作为未来太赫兹空间光通信和信息处理的宽带、角度不敏感、可调谐的偏振转换器和分束器.     

Design of cylindrical conformal transmitted metasurface for orbital angular momentum vortex wave generation

We propose a cylindrical conformal transmitted metasurface for orbital angular momentum vortex wave generation. Formulas for calculating the phase distributions of cylindrical conformal transmitted metasurface is presented. A prototype of the proposed conformal transmitted metasurface is designed, fabricated and measured. Measured results shows that the proposed conformal transmitted metasurface can effectively generate vortex waves, which verifies the effectiveness of our method. The proposed method may pave the way of vortex wave generation with cylindrical conformal devices.     

太赫兹频率编码器

超表面是由亚波长单元组成控制电磁波的人工结构,研究发现通过对其进行编码排列可实现对电磁波能量的任意控制.本文利用四种形状相同、尺寸不同的人字形结构单元,结合其不同相位响应和不同的相位灵敏度设计了太赫兹频率编码器,通过进行特定编码,在频率改变的情况下,实现了对电磁波能量辐射调控.分别设计了1-bit, 2-bit周期和非周期太赫兹频率编码器,通过数值计算和仿真模拟验证了上述特性,而且该结构对太赫兹波辐射主瓣能量有很好的分散作用,可以有效减少雷达散射截面,雷达散射截面缩减在q=0,j=0方向上最大可达29 dB,在太赫兹波隐身中具有巨大应用价值.     

Multifunction switching by a flat structurally tunable acoustic metasurface for transmitted waves

In this paper a flat structurally tunable acoustic metasurface is constructed based on the helical unit cell. The length of the acoustic channel can be tuned by the screw-in depth of the helix. Accordingly, the wave phase for the transmitted acoustic wave can be tuned and the wavefront can be manipulated. Then multifunctions such as anomalous refraction, point focusing, beam focusing and self-bending can be realized and switched just by screwing in or out the helixes. At the same time, the broadband operating frequency is also realized. The experiments for anomalous refraction and point focusing are also performed, and the results show that the designed metasurface is effective. The present studies have important applications in dynamic manipulation of acoustic waves by metasurfaces.     

Multi-function terahertz wave manipulation utilizing Fourier convolution operation metasurface

We propose a novel metasurface based on a combined pattern of outer C-shaped ring and inner rectangular ring. By Fourier convolution operation to generating different predesigned sequences of metasurfaces, we realize various functionalities to flexible manipulate terahertz waves including vortex terahertz beam splitting, anomalous vortex terahertz wave deflection, vortex terahertz wave splitting and deflection simultaneously. The incident terahertz wave can be flexibly controlled in a single metasurface. The designed metasurface has an extensive application prospect in the field of future terahertz communication and sensing.     

电磁超表面在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用研究进展

电磁超表面由于其独特的电磁特性为调控电磁波提供了有力工具,合适地设计成编码、随机、相位不连续、完美吸收器等超表面,就能够控制电磁波的散射以及反射特性,实现雷达散射截面的缩减。本文综述了不同的电磁超表面利用漫反射或者吸收等特性实现在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用。分析表明,编码超表面由不同的数字单元组成,其反射相位差在很宽的频段范围内满足恒定的关系,设计特殊的单元序列使入射的电磁波产生非定向散射,更高bit编码超表面更容易灵活调控电磁波;随机超表面通过调节阵元的尺寸实现宽带移相从而将金属目标特征性强的反射峰打散成一个无规律、杂乱的波,产生漫反射;不连续超表面由于相位不连续可使电磁波发生漫反射或者异常反射;吸收器通过合理设计结构尺寸实现吸收电磁波能量来减小反射。因此电磁超表面在雷达隐身、宽带通讯、成像等方面具有重要的应用前景。最后对电磁超表面在雷达散射截面缩减中应用的发展趋势进行了初步探讨,未来将向着宽带、柔性、大角度等方面发展。