基于超表面的多频带双极化转换器设计

极化转换器在无线通信、雷达探测等众多工程领域有着广泛的应用,针对当前超宽带、多功能、高效率的应用需求,提出了一种双极化、多频带反射型极化转换器。基于超表面设计,该结构由顶层周期排列金属贴片、介质层和金属底板3部分组成。研究表明,对入射的线极化波,该结构在6.2—6.7 GHz、17.7—19.2 GHz、20.88—21.14 GHz 3个波段内实现极化转换率(polarization conversion ratio,PCR)高于90％的交叉极化转换;在7.12—16.68 GHz、19.47—20.67 GHz两个波段实现轴比(axial ratio,AR)低于3 dB的线圆极化转换。该设计具有结构简单、加工方便、能量损耗低等特点,在电磁波极化调控、微波器件设计等方面具有一定的理论与实用价值。     

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。     

基于二次相位超表面的大视场紧凑型全Stokes偏振测量方法

偏振是光的固有属性之一,然而传统的光强、光谱探测技术会造成电磁波的偏振信息的丢失。同时,基于偏振测量的器件及技术不仅存在视场局限的问题,而且系统复杂。基于介质型超表面设计了一种紧凑型大视场偏振探测器件,实现了对入射光的角度及偏振态的探测。该器件由2×2的二次相位超表面组成,每个超表面可实现对特定偏振的对称性变换,即将入射角旋转对称性转变为焦平面内焦点平移对称性。二次相位的对称性变换理论使得此文可以在宽角度范围内（-40°~+40°）通过测量焦点的偏移量实现对入射角的表征。在此基础上,分析了斜入射对测量Stokes参数的影响,得到矫正的Stokes公式。利用4个焦点的强度和矫正的Stokes公式可计算出入射光的Stokes参数。在视场角为0°、20°、40°时,测量的Stokes参数与理论值吻合良好。     

基于几何相位超表面的高效独立双频点圆偏振太赫兹波束调控

为了克服超表面普遍具有的波长依赖性,提出了一种基于几何相位的多功能超薄超表面,在双频点处对透射圆偏振太赫兹波实现独立波前调控。该超表面单元由表层金属层和中间介质层组成,其中表层金属图案相同,均是由双C型开口环谐振器、中间金属圆环和长方形金属片谐振器构成。通过分别旋转表层金属谐振器,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位。将单元结构按照特定的规律排列,可对入射波的波前实现任意调控,例如,在低频f₁=0.701 THz,分别实现了携带拓扑电荷数+1、+2、+3、+4的涡旋波束,其纯度均在60%以上;在高频f₂=1.663 THz,实现了对入射圆偏振波的汇聚,且焦距误差仅为0.04。仿真结果表明,设计的超表面在双频点处对电磁波具有良好的调控。     

超表面偏振信息编码

超表面在光偏振调控方面具有卓越的能力,利用超表面结构的偏振控制实现信息编码与加密成为一种新兴的光学编码技术。本文旨在介绍超表面偏振光学及其在信息加密领域的最新进展。首先介绍对光束偏振态进行整体调控的各类超表面偏振光学元件,包括超表面波片、偏振器和偏振分束器,强调了超表面在偏振操控方面的卓越性能;接着深入介绍基于不同微型超表面偏振光学元件进行的像素化偏振信息编码,包括对近场偏振态空间分布进行逐点编码的马吕斯超表面,以及对远场偏振态进行空间编码的偏振全息和矢量全息超表面;然后阐述近场与远场像素化偏振空间编码超表面在信息隐藏与加密领域的应用示范;最后进行简要总结,并展望超表面偏振信息编码技术的未来发展趋势与应用潜力。     

各向异性超材料中太赫兹波的偏振转换

各向异性超材料可以控制太赫兹波的偏振态,实现入射太赫兹波的偏振转换。为了获得非手性各向异性超材料的透射响应与本征偏振复透射系数的关系及其入射偏振依赖性,在太赫兹时域光谱系统中测量了等臂长L形结构超材料在不同偏振角下的正入射透射谱,获得并分析了透射太赫兹波的偏振转换率和偏振态,所得结果与基于琼斯矩阵和坐标变换计算的结果一致。在0.7 THz~1.3 THz频率范围内可实现约20%的偏振态能量转换效率。在L结构和双L结构的偏振转换透射谱中分别观察到了宽带响应和多频共振响应,表明结构改变对太赫兹波透过特性的敏感性和可操控性。所得到的结果可用于太赫兹功能器件的设计、表征和优化。     

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。     

非线性超构表面:谐波产生与超快调控

超构表面是指由亚波长结构构成的纳米光学天线阵列。在合适的激发条件下,纳米天线可以产生共振,实现近场增强,进而增强非线性光学效应。相较于传统非线性光学晶体,超构表面集成度较高,有利于实现小型化的高效非线性光源。由于光只传播亚波长的距离,针对非线性谐波产生等应用,超构表面具有无需考虑相位匹配的优势。此外,超构表面具有亚波长的空间分辨率,通过对结构单元的设计和排列,可以实现对非线性谐波的相位、偏振和振幅的灵活调控。该综述针对超构表面在光学频率转换、非线性波前调控以及超快全光调控等领域的国内外近期工作进行了总结,并对非线性超构表面在走向实际应用中面临的挑战和进一步的发展方向进行了展望。     

基于S波片和双延迟器的矢量光场偏振调控方法

基于S波片和双延迟器的偏振特性,提出了一种矢量光场的生成及偏振调控方法,该方法能够将标量高斯光束转换为偏振态分布可调谐的矢量光束。结合Stokes-Mueller矩阵算法,建立了矢量光场偏振调控的数学模型,并仿真计算出标量高斯光束经过S波片和双延迟器（包括双1/4波片和双1/2波片两种情况）后的偏振态空间分布。讨论了双延迟器相对旋转时光场偏振分布的演化规律及机理,实验结果与数值仿真结果相互吻合,表明该方法可以实现对标量相干光场的复杂偏振调控,验证了理论分析的正确性和该方法的可行性。     

基于石墨烯太赫兹超表面的特殊波束动态调控

现有的大多数特殊波束(聚焦波束、艾里光束等)超表面通常采用金属结构单元,通过改变单元结构的尺寸和旋转角度等方式进行单一的波前调控,但对动态调谐波前的特殊波束超表面的研究很少。本文突破传统结构的壁垒,利用石墨烯独特的电可调性,构造出利用石墨烯费米能级动态调控波前的特殊波束超表面,可在动态调控波前上实现更灵活的自由性,满足更多、更复杂的相位需求。通过调控石墨烯费米能级获得不同的相位分布,动态调控焦点的空间位置、聚焦开关与焦点个数之间的切换以及影响艾里光束的参数等。所提出的动态调控波前特殊波束超表面可为太赫兹在高分辨成像、聚焦可调平面透镜、光学显微操作、激光微加工、光学子弹成型等方面的应用提供参考。     

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。     

基于超表面的超薄隐身器件

隐身是人类自古以来的美妙幻想和愿望。近年来,随着人工微结构超构材料领域的不断发展,隐身具备了坚实的科学理论基础和实现条件。早期的隐身设计大多数是基于变换光学原理,科学家们利用超构材料实现了渐变的折射率并在多个频段实现了隐身现象。然而,变换光学隐身器件通常具有较大的尺寸且不易制备,这极大地限制了隐身器件的应用和发展。近年来,超表面作为超构材料的二维对应物,由于其轻薄特性、制备容易、以及强大的电磁波调控能力吸引了人们广泛的关注和研究兴趣。利用超表面实现的超薄隐身器件有望解除传统隐身器件对大尺寸和极端参数材料的依赖,进一步推动了隐身领域的发展,并使隐身器件迈向实际应用。文中对近年来基于超表面的超薄隐身器件的相关研究进行了简要的回顾,着重介绍了其隐身原理,实现方法以及优劣势,最后对领域发展前景和方向提出了一些建议。     

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.