苏州大学徐亚东副教授课题组发现相位渐变超构表面中的奇偶性相关的衍射规律- 大数跨境

两江科技评论

2019-05-29

导读：近日，苏州大学的徐亚东副教授课题组、美国杜克大学的S. A. Cummer教授课题组和香港科技大学陈子亭教授，设计和研究了一种透射型相位渐变超构光栅。

导读

近日(2019年5月24日)，苏州大学的徐亚东副教授课题组、美国杜克大学的S. A. Cummer教授课题组和香港科技大学陈子亭教授，设计和研究了一种透射型相位渐变超构光栅（Phase-gradient metagratings, PGM），研究者通过构建一般性超构光栅结构，基于多重反射效应，揭示了其中复杂的衍射机理，发现了一种全新的衍射规律：PGM中的高级次衍射特性与PGM超晶格（Superlattice）内的单元个数m的奇偶性有关。通过改变m奇偶性，可以实现散射波在透射通道和反射通道之间的转换，并且这种现象具有很强的鲁棒性。相关成果以“Reversal of transmission and reflection based on acoustic metagratings with integer parity design”为题发表在《Nature Communications》杂志上。原苏州大学博士生、现南京航空航天大学的伏洋洋副研究员、杜克大学的沈宸博士和苏州大学博士研究生曹燕燕同学为论文的共同第一作者。在研究中，苏州大学的高雷教授、厦门大学的陈焕阳教授给予大力支持。

创新研究

在过去的几年中，相位渐变超构表面为调控波的传播、设计新型功能器件，例如，散射波的异常透射和异常反射，提供了新的思路。这些新型器件的物理基石是广义折射/反射定律

其中，为沿着界面方向变化的突变相位。由于突变相位2π的周期性，在设计中渐变相位超构表面在空间上往往具有超晶格。因此在很多情况中，广义折射/反射定律应修正为

其中和是入射波和反射/透射波的切向波矢，为倒格矢，p为超晶格周期，n为衍射级次。广义折射/反射定律对应于公式（2）中的最低衍射级次（n=1）。尽管之前的很多理论和实验结果都观察到了高级次的衍射现象，但其遵循的衍射规律，特别是在透射型相位超构表面中，尚不完全清楚。

在这个工作中，他们设计了一种声学相位渐变超构光栅（PGM），一个超晶格内包含m个周期单元（m为离散地引入覆盖2π相位的微结构个数）。该结构类似于光学中的亚波长金属光栅。通过研究其衍射特性，发现：当入射波的入射角超过最低衍射级次（n=1）的临界角时，多重反射次数（L）与周期单元个数（m）以及相关衍射级次具有密切关联：。特别是，高级次衍射是反射还是透射是由L的奇偶性决定。因而，公式（2）进一步改写为：

研究人员选取了m=3和m=4的情况，且的相位渐变超构光栅来验证m的奇偶性对于高级次衍射的反射/透射影响，在这个例子中光栅衍射主要包含三个衍射级次，n=1，0，-1。分析结果显示：当入射角度为，对应低级次n=1，m=3和m=4的超构光栅都表现为异常透射。当入射角度为，对应高级次n=-1，m=3的超构光栅表现为异常反射，但是m=4的超构光栅表现为异常透射。这就是由于m奇偶性变化导致多重反射次数L奇偶性变化，从而实现异常透反射的转换现象。应用耦合模理论，更多的理论分析结果进一步验证公式（3）的正确性。