![]()
图1 基于全空间幅相同调的三功能超表面功能示意图
1. 导读
圆极化波具有减小极化失配和提高系统稳定性的优点，在无线通信等领域中具有重要应用。因此，对圆极化波的调控研究引起了人们极大兴趣。目前，大多数超表面主要基于PB相位原理实现对圆极化波的调控，但这种方式只能调控出射波的相位，并不能调控幅度。幅度作为电磁波的基本属性之一，可以作为电磁波调制的额外自由度。对圆极化波幅度和相位的独立调控，是实现对圆极化波的全面调控基础。同时，由于应用需求的复杂性和多样性，通信系统对电磁器件的集成化和小型化提出了更高设计要求。因此，如何在全空间中实现幅相同调的多功能电磁器件对于提高信息容量具有重要研究意义。针对上述问题，近日电子科技大学电磁辐射与散射团队李锡明、刘颜回等人在Nanophotonics发表最新文章，提出了一套在全空间中实现幅相同调的三功能超表面策略，可以在三个通道中解耦圆极化波的幅度和相位。最后，基于幅相同调超表面单元实现了全空间三功能超表面，能够任意调控近场和远场能量。如图1所示，在低频f1 = 9 GHz时，右旋圆极化波正向或反向入射，可以实现焦斑能量任意控制的横向或纵向双聚焦点；在高频f2 = 13 GHz时，右旋圆极化波正向入射，可实现波束能量任意控制的三波束。验证了该方法的可行性和有效性，所有微波波段的实验结果均与理论预期吻合，这也充分证明了该设计方法的有效性。该研究成果不仅为幅相同调多功能超表面设计提供了方法和技术储备，并为通信系统和电磁器件集成化与小型化打开了新思路。2. 研究背景
超表面是由许多亚波长结构单元在二维平面展开形成的功能性平面结构，通过在界面上引入场的不连续性，能够灵活操控电磁波极化、相位和幅度，具有广泛的应用前景。随着现代通信技术的快速发展，人们需要在单个超薄器件中集成多个信息通道来满足日益增长的应用需求。近年来，多功能超表面的研究引发许多关注，如将极化、频率、入射角度和方向等进行结合，可以显著扩大信道容量。其中，全空间超表面由于其可以工作在反射和透射模型，能够在全空间操纵电磁波，具有广泛的应用。然而，目前报到的大多数多功能超表面研究只能实现对相位的调控，使得许多复杂的电磁功能不能得到实现。因此，如何在单一器件中拓展通道数量，同时对每个通道的幅度和相位进行独立调控，是当下面临的重要科学问题。3. 创新研究
针对上述挑战，团队研究人员提出了一套在全空间中实现幅相同调的三功能超表面普适新策略。在极化-入射方向复用的多功能超表面设计基础上，研究者将混合相位方法应用于反射通道，实现对反射圆极化波的幅相解耦；将双几何相位方法应用于透射通道，实现对透射圆极化波的幅相解耦。所设计超表面能够基于入射波的频率和传播方向，在全空间中实现三种复杂的电磁功能（见图1）。为完成上述幅相同调的三功能超表面设计，采用由3层金属结构（从右到左依次命名为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ）和2层F4B介质板组成的超表面单元，如图2（a）所示。为保证透/反射模式之间的高效隔离，金属Ⅱ采用具有带通性能的圆环槽作为频率选择层。图2（b）-（e）为超表面在不同频率下的电场和表面电流响应，表明所设计的超表面单元能够工作于反射和透射模式，且不同模式之间的串扰较低。利用金属Ⅰ和金属Ⅲ的外部子单元并结合混合相位（传播相位和几何相位），实现对超表面两面的反射通道幅相调控；利用金属Ⅰ和金属Ⅲ的内部子单元并结合双重几何相位，实现对透射通道的幅相调控。![]()
图2 超表面单元结构和其不同频率激发下的电场和电流分布
随后，研究人员利用以上各向异性超表面单元来独立调制三个通道下的幅度和相位，最终在全空间中实现幅相同调的三功能集成。从实验结果图3中可以看出，在前向和后向圆极化平面波入射时，该超表面器件在f1分别产生能量比例不同的横向和纵向双聚焦点。在横向双聚焦超透镜中，左焦斑与右焦斑能量比接近1:2；在纵向双聚焦超透镜中，上边焦斑与下焦斑能量比接近2:1。同时，在频率为f2的前向圆极化平面波入射时，超表面器件可以生成能量和散射方向不同的三波束，且波束的能量比接近1:2:1。所有实验结果均与预期吻合良好。![]()
图3 加工的实验样品、仿真以及测试结果
4. 应用与展望
研究团队提出的全空间幅相同调的三功能超表面的新方法，是一种普适、高效、功能广泛的方法，通过充分利用两种幅相解耦机制，可以在三个不同通道中实现对圆极化波的幅度和相位独立可调，产生的多功能超表面进一步扩展了信息通道数目和电磁调控范围，在集成光学和多通道通信中具有广阔应用前景。该研究成果以“Full-space
trifunctional metasurface with independent control of amplitude and phase for
circularly polarized waves”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Xi Ming Li, Yuan Zhao,
Ren Pan Lu, Xiao Feng Sun, Zhao Yang, Hai Dan He, Yan Hui Liu*, Guo Hong Du，其中前两位作者为共同第一作者，刘颜回教授为通讯作者。西南电子技术研究所何海丹研究员和成都信息工程大学杜国宏教授参与指导了本工作。
