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.     

双线极化宽带1-bit可编程智能超表面设计

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)因其对电磁波的灵活调控特点,广泛应用于新型无线通信网络系统中,满足了6G移动通信对低成本、低剖面、易布局、低能耗、多功能器件的要求。然而,现有超表面器件往往局限于单极化的调控,且工作带宽较窄,极大限制了其在新一代无线通信系统中的应用。提出了一种新型的双线极化宽带1-bit可编程RIS,通过接收贴片、可重构缝隙和辐射贴片的形式,在完成双线极化电磁波极化转换的同时,实现3.5 GHz附近的1-bit相位调控,设计的超表面单元-3 dB带宽为2.98～4.6 GHz,相对带宽达到42.7%,所设计单元也可以实现圆极化的波束调控;通过平面波角谱理论,对该单元所建超表面进行分析综合;建立的16×16阵列可以实现多功能电磁波调控,包括波束扫描、聚焦以及涡旋波束生成等,可以在二维平面±60°内实现高增益波束扫描,-3 dB相对带宽达到36.7%。     

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。     

基于电磁超表面的太赫兹线极化转换器

研究基于电磁超表面的太赫兹波束极化调控技术,即采用金属-介质-金属的三层结构设计了一种反射式太赫兹波90o线极化转换器,并分别采用数值仿真和实验测试方法表征其极化转换特性。结果表明,该反射式超表面可以在工作频率(0.5 THz)达到高效的线极化转换(高于75%),且具有宽带特性(在0.35~0.65 THz极化转换效率超过50%)。此外,采用的超薄玻璃介质衬底使得超表面极化转换器具有厚度小、质量轻和耐热性好等优异的综合性能。     

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。     

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。     

一种用于宽带RCS减缩的电磁超表面

本文提出了一种用于宽带雷达散射截面减缩的电磁超表面。该电磁超表面一面印制有周期性的金属贴片,另一面为金属面。由于每个金属贴片均会影响反射电磁波的相位,不规则尺寸排列的金属贴片会引起不规则反射相位的反射波,反射能量将在空间分散,这样对比金属平板实现了在 9.5GHz~13.5GHz 频率范围内 2~10dB 的 RCS 减缩。     

超表面透镜偏振可切换的多通道功能复用

超表面概念的提出为研究平面化和超薄的光学元器件提供了一种全新的设计思路。传统的几何相位型的超表面透镜受制于偏振锁定的限制,阻碍了其实现多功能的复用。文章提出了一种通过几何相位实现超表面透镜偏振解耦的方法。进一步,利用该方法作者实现了超表面聚焦透镜在纵向以及纵向和横向实现多通道功能（如聚焦光斑和聚焦涡旋）的复用和偏振可切换特性。相关研究为实现多功能可集成的平面化器件提供了新的研究思路。     

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。     

超表面透镜的宽带消色差成像（特邀）

超透镜是一种由二维亚波长阵列结构表面所设计的透镜,其对光场中振幅、相位和偏振的调控能力较灵活,同时具有低损耗、易集成、超轻薄等优点,近些年引起了科研人员广泛的研究兴趣。然而在大多数情况下,针对特定波长设计的超透镜会遭受较大的色差,从而限制了其在多波长或宽带应用中的成像作用。超透镜因其二维平面结构引入了新的自由度,在对色差的消除上体现了新的潜力。文中报道了多种不同的消色差超透镜设计及其消色差调控机理,并对现有的消色差超透镜从调制波段类型进行了分类,如对离散波长的和对连续波长的消色差超表面透镜,后者又可从工作模式上分类为透射型和反射型,最后介绍了超透镜阵列在成像上的应用以及其在大景深宽带消色差器件上的前景。     

表面活性化常温结合过程中表面微观形貌变化的AFM研究

用表面活化方法实现了Ａｌ和Ｓａｐｐｈｉｒｅ之间常温直接结合，用原子力显微镜研究了电解腐蚀，高速原子束轰击和压接等过程中样品表面微观形貌及微粗糙度的变化，提示了压接前样品表面微观粗糙度对接合强度的影响，为优化表面活性常温结合过程控制，提高了ＳＡＢ接合强度提供了的实验依据。     

可增强信号覆盖范围的放大型信息超表面设计

传统信息超表面能对电磁波的幅度和相位做出动态调控,在无线中继中控制电磁波的传播方向,但并不能放大入射波的能量,因此这类超表面的工作距离受限,往往要通过较大的阵面面积来实现信号盲区的有效覆盖。为解决这一问题,提出了一种放大型信息超表面,并通过仿真验证了该信息超表面在2.7～3.1 GHz的宽带范围内具有2 bit的相位调制特性和信号放大能力。同时,通过引入功率分配和功率合成网络,使8个超表面单元组成一个1×8的阵列且只需使用一个放大器,以减少放大器的数量,从而降低硬件成本和系统能耗。仿真结果表明,所提出的放大型信息超表面阵列在宽带范围内同时实现了波束成形和信号能量放大,可应用于基于信息超表面的新型无线中继系统中,为增强无线信号覆盖和减小超表面阵面尺寸提供了一种全新的解决方案。     

基于U型结构超构表面的光束偏转器和超透镜研究

利用超表面实现对光的操控是光学领域的研究热点之一。设计了一种U型单元结构,通过将结构以斜对称的方式放置并改变结构的几何参数,实现了透射光从0到2π的相移;采用线偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光作为入射光,通过结构优化实现了具有偏振不依赖性的光束异常折射的光束偏转器,其折射角为22.4°,并探讨了超透镜的功能,为超表面的应用提供了参考。     

基于渐变折射率超表面的宽带高增益端射天线

提出了一种基于渐变折射率调制超表面的紧凑、宽带化、高定向性端射天线。该天线采用阶梯微带线-槽线结构作为馈线、准八木天线作为馈源、所设计渐变折射率超表面作为寄生结构,既可实现天线带宽拓展,又具有增益提升效果。仿真结果表明,天线可以在紧凑化尺寸情况下(尺寸为0.644λ₀×0.729λ₀×0.017λ₀,λ₀为中心频点所对应的自由空间波长),实现3.66～9.13 GHz频带内的良好阻抗匹配,相对带宽为85.5%,同时,在宽频带范围内,天线的增益浮动在4.78～8.81 dBi,且具有良好稳定的辐射特性。所提出的紧凑、宽带高定向性端射天线可以应用于空间受限的走廊、隧道等平台环境中。     

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。     

低剖面极化可重构超表面天线

提出了一种低剖面极化可重构超表面天线. 天线由三部分组成:3×4金属矩形贴片阵列组成的超表面覆层、缝隙耦合天线和直流偏置控制电路. 电路包括8个PIN二极管开关组成的四对开关（PIN1,PIN2,PIN3和PIN4）和直流偏置线,通过控制上述四对PIN开关的工作状态,天线可以在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种极化状态之间转换. 对天线样机进行了加工并给出了实测反射系数、实际增益、轴比和归一化辐射方向图,结果表明:天线在不同工作状态下的共享工作频带为4～5.4 GHz,?10 dB阻抗带宽为29.8%;3 dB轴比带宽为8.3%,从4.6～5 GHz;各状态下的实测增益相差不大,其平均增益都大于5 dBi. 仿真结果与实测结果吻合良好.     

太赫兹超材料和超表面器件的研发与应用

太赫兹光电子学的兴起推动了太赫兹波产生、传输和探测3方面理论和器件的快速发展。通过调控亚波长金属结构与太赫兹波相互作用的特异光学响应,太赫兹超材料和超表面器件已在太赫兹光束整形、导波和调制方面显示了巨大的潜力和优势,并可能推动太赫兹光源和探测器的发展。进一步发展和丰富太赫兹超材料和超表面器件,也将对太赫兹波在传感、通信和雷达等应用方面产生有益影响。本文综述了首都师范大学超材料与器件课题组近年来在太赫兹波段开展的基于超材料和超表面材料的光谱调制器件、光场调制衍射光学元件和主动光学元件的工作,介绍了超材料与器件的基本物理理论以及相应的实验研究成果,希望能够推动超材料与超表面太赫兹调制器件的发展与应用。     

基于开口圆环结构的太赫兹分束器设计

提出了一种基于开口圆环结构的太赫兹分束器,其由两种单元结构组成,这两种结构的区别在于是否存在底层连续金属层,这两种结构的顶层金属图案由开口圆环组成,介质层为聚酰亚胺薄膜。通过改变开口圆环的开口大小和半径排列构成了8×8的相位梯度超表面。当太赫兹波分别沿-z轴方向和+z轴方向垂直入射时,电磁波会被分成沿x,y轴对称但能量分布不同的四束波,两种入射模式能够得到两种不同的分束比。在0.7 THz下,当太赫兹波分别沿-z轴方向和+z轴方向垂直入射时,其分束比分别为0.8∶1和1.9∶1,实现对分束比的调谐。此分束器具有体积小、成本低的优点,可应用于太赫兹通信、太赫兹成像和太赫兹隐身等领域。