电磁超表面与信息超表面

电磁超材料和超表面是物理、信息与材料领域的热点与前沿,带来了许多新奇的物理现象和突破性的应用. 信息超表面作为近些年来新兴的研究方向,通过数字编码的方式来调控电磁波,构建了由物理世界通往数字世界的桥梁. 本文首先全面总结了电磁超材料与超表面的起源与发展历程;其次重点介绍了可调超表面与可重构超表面、时空调制超表面与器件的发展现状;接着系统介绍了数字编码与可编程信息超表面的基本概念和主要应用,讨论了信息超表面存在的挑战与未来展望;最后简要对电磁超表面和信息超表面的发展趋势进行了总结.     

可重构智能超表面设计及其无线通信系统应用

可重构智能超表面(Reconfigurable Intelligent Metasurface,RIS)是一种新的人工电磁超材料,具有灵活调控电磁波的频率、幅度、相位、波形、极化和传播方向等特性.RIS构建起物理空间和信息空间的桥梁,具有灵活调控电磁波的能力和低成本、低能耗、低质量的优点,将为B 5 G/6 G无线通信...     

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。     

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。      

电磁超表面透镜的前沿成像应用进展

电磁超表面是电磁超材料的一种二维形式,它由许多亚波长结构单元按某种特定规律排列形成,可以实现对电磁波相位、偏振和振幅的任意调控。与传统光学器件相比,它具有超薄的厚度,其小型化、紧凑化、易于集成等优点在光学系统中具有广泛的应用前景,掀起了国内外的研究热潮。文中首先从超表面的波前调控原理入手,对电磁超表面透镜成像机理进行了阐述,接着介绍了电磁超表面透镜在成像应用中的一些前沿进展,最后进行了总结,并对其未来的发展方向进行了展望。     

电磁超材料吸收器的研究进展

基于电磁超材料的电磁谐振吸收器通过合理设计器件的物理尺寸及材料参数可对入射到吸收器的特定频率的电磁波实现100％的完美吸收,因而受到国内外学术界的高度关注.综述了当前国内外基于电磁超材料的电磁波完美吸收器在微波和太赫兹波段的研究进展,分类介绍了吸收器的结构及性能特点,最后对电磁超材料吸收器的发展趋势和待解决的问题作了探...     

低复杂度时空调制超表面设计方法与应用

为利用超表面实现空频域电磁波的高效调控,提出了一种基于解析优化的时空调制超表面设计方法.根据调控需求引入理想时变散射系数;采用矩形脉冲离散时变散射系数,并根据所需电磁响应设计超表面单元结构;进行傅里叶展开,对每个脉冲的状态、起始时刻、脉冲宽度等进行解析优化,保留目标阶谐波,消去其他阶谐波.解析和仿真结果具有较好的一致性,表明了设计方法的可行性与准确性.该设计方法深入地研究了时空调制对空频域电磁波的调控机理,为时空调制超表面在雷达、通信等领域的应用提供了新的设计思路.     

太赫兹信息超材料与超表面

该文对信息超材料,包括数字超材料、编码超材料、以及可编程超材料的研究进展及其在太赫兹领域的应用进行了综述,从原理分析、数值仿真、样品制备、实际应用等多个角度介绍了信息超材料对电磁波全面而灵活的调控能力,着重探讨了编码超材料在太赫兹领域的发展以及应用,最后阐述了现场可编程超材料的原理及其在构建新型成像系统、新概念雷达中的应用。信息超材料与超表面对太赫兹波束的灵活调控可用于制作波束分离、低雷达散射截面等多种功能器件,为太赫兹频段电磁波的实时调控开辟了新的途径。      

时变极化编码表面及其在无线通信中的应用

该文提出了一种时变极化编码超构表面的设计方法,实现了对电磁波基波与谐波分布的非线性调控。通过加载开关二极管的方式,超构表面可在2.4 GHz频率处实现转极化与同极化反射之间的动态切换,进而通过调节时域方波调制信号的占空比和频率,可在频域内调控电磁波基波与谐波的能量分配及频率偏移。在此基础上,利用超构表面的动态电磁响应,...     

基于超材料的自由电子辐射研究进展

自由电子与周围电磁环境互作用时可以通过不同的形式辐射电磁波.超材料是一种人工复合材料,可实现传统自然材料所不具备的电磁特性.基于超材料与自由电子之间的相互作用可以打破传统电磁辐射系统的限制,实现对辐射电磁波的极化、相位、波前等特性的灵活操控,这为发展新型的自由电子辐射器件提供了新思路.本文简单介绍了切伦科夫辐射、史密斯...     

太赫兹可编程超材料的研究进展和在单像素成像中的应用

人工电磁超材料展现了强大的电磁波调控能力. 随着可编程超材料的提出,超材料向数字化、智能化的方向不断发展. 本文首先回顾了太赫兹可编程超材料的研究进展,重点讨论基于半导体、液晶等可调材料的太赫兹可编程超材料的设计方法、调控原理及应用. 然后,介绍了太赫兹可编程超材料在单像素成像中的应用,即利用电控和光控可编程超材料实现太赫兹光的空间编码调制,结合压缩感知等成像算法,实现太赫兹单像素成像. 最后,对太赫兹可编程超材料的发展趋势和应用前景进行了展望.     

有源超常材料的研究及应用

超常材料是具有自然材料所不具备的超常物理性质的一类人工电磁材料。由于本身具有损耗大、工作带宽窄等缺点严重限制了其应用研究,尤其是在太赫兹和光波频段。在金属微结构单元结合某种非线性材料(半导体、量子结、量子阱等)构成复合型超常材料,或者改变超常材料的外部激励(如温度、光激励、电磁场等)可以控制其整体特性,实现抵消材料损耗、调控它对电磁波的响应强度和频谱范围。本论文总结了有源超常材料在各频段的研究进展及应用。     

超材料宽带低散射技术研究进展

电磁吸波材料和外形设计等低散射技术被广泛应用于隐身、电磁屏蔽及无线通信等领域。相比于传统技术途径,超材料低散射技术具有更加灵活的设计和调控能力,因而在带宽拓展、厚度减低等设计要求上具有更好的发展前景。文章介绍了实现宽频带散射缩减的常用方案,并着重介绍了基于多谐振叠加、损耗调节以及漫反射原理的带宽拓展方法,并简要展望了低散射技术的发展趋势。     

Tailoring Structure-Borne Sound through Bandgap Engineering in Phononic Crystals and Metamaterials: A Comprehensive Review

In solid state physics, a bandgap (BG) refers to a range of energies where no electronic states can exist. This concept was extended to classical waves, spawning the entire fields of photonic and phononic crystals where BGs are frequency (or wavelength) intervals where wave propagation is prohibited. For elastic waves, BGs are found in periodically alternating mechanical properties (i.e., stiffness and density). This gives birth to phononic crystals and later elastic metamaterials that have enabled unprecedented functionalities for a wide range of applications. Planar metamaterials are built for vibration shielding, while a myriad of works focus on integrating phononic crystals in microsystems for filtering, waveguiding, and dynamical strain energy confinement in optomechanical systems. Furthermore, the past decade has witnessed the rise of topological insulators, which leads to the creation of elastodynamic analogs of topological insulators for robust manipulation of mechanical waves. Meanwhile, additive manufacturing has enabled the realization of 3D architected elastic metamaterials, which extends their functionalities. This review aims to comprehensively delineate the rich physical background and the state-of-the art in elastic metamaterials and phononic crystals that possess engineered BGs for different functionalities and applications, and to provide a roadmap for future directions of these manmade materials.     

太赫兹波段电磁超介质的应用及研究进展

太赫兹波和电磁超介质是电磁学领域关注的热点.太赫兹波与电磁超介质相互作用可以实现对太赫兹波的操纵和调控,有望填补"太赫兹空白".介绍了太赫兹波段电磁超介质的研究进展,包括电磁超介质电磁性能可调谐的实施途径,电磁超介质在太赫兹功能器件方面的应用(调制器/开关、传感器/探测器、滤波器、偏振元件和吸波器),太赫兹波段表面等离...     

A novel dispersive FDTD formulation for modeling transient propagation in chiral metamaterials

Chiral media engineered for applications at microwave frequencies can be described as metamaterials composed of randomly oriented helices (with sizes typically less than a wavelength) embedded within an achiral background that is characterized by its permittivity and permeability. Chiral metamaterials embody properties of magnetoelectric coupling and polarization rotation. Chiral media are also highly dispersive and no effective full-wave time domain formulation has been available to simulate transient propagation through such an important class of metamaterials. A new finite-difference time-domain (FDTD) technique is introduced in this paper to model the interaction of an electromagnetic wave with isotropic dispersive chiral metamaterials, based on the implementation of a wavefield decomposition technique in conjunction with the piecewise-linear recursive convolution method. This formulation represents the first of its kind in the FDTD community. The FDTD model is validated by considering a one-dimensional example and comparing the simulations with available analytical results. Moreover, the FDTD technique is also used to investigate the propagation of electromagnetic waves through multilayered metamaterial slabs that include dispersive chiral and double-negative media. Hence, this model enables the investigation of complex dispersive metamaterials with magnetoelectric coupling and double-negative behavior as well as facilitates the exploitation of their unique properties for a variety of possible applications.     

惠更斯电磁超构表面微波天线的研究进展(特邀文章)

惠更斯电磁超构表面脱胎于现代三维超构材料,是一种特殊的二维亚波长阵列结构.基于经典电磁学惠更斯等效原理,惠更斯电磁超构表面可以灵活地调控电磁波的传播和电磁场的分布,其独特的电磁特性给天线的创新带来了巨大的机遇.文章将综述惠更斯电磁超构表面在微波天线中的研究进展,简要介绍惠更斯超表面的基本概念和原理并总结其在微波天线设计中的应用,重点阐述三种惠更斯超构表面天线技术及其设计案例.最后,展望惠更斯超构表面在天线工程中的广阔应用前景.     

超常介质非线性光学研究进展

光与超常介质相互作用时,光的磁场也变得很重要。超常介质的色散磁导率导致光与超常介质的非线性相互作用呈现出许多新特性。总结了超常介质中二阶非线性光学现象的国内外研究进展,报道了在三阶非线性超常介质中光的传输特性方面的研究结果,包括传输模型的建立、调制不稳定性、孤子和自聚焦现象等。