图1 全空间调控方向复用型多功能超表面
1. 导读
哈尔滨工业大学丁旭旻副教授和新加坡国立大学的仇成伟教授合作团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了具有全空间散射通道的非交错Janus超表面，实现了复杂、独立的双向全空间电磁波调控功能。团队在理论模型分析和数值仿真模拟基础上，在微波波段实验验证超表面两侧入射同一极化波时，产生具有不同功能的反射、透射四个通道，并且该超表面中的每个单元针对四个通道都得到充分有效地利用。所有实验结果均与理论预期非常吻合，这也充分证明了该设计方法的有效性。该研究成果为未来实现依赖传播方向的多功能器件的研究与应用打开了新思路。
2. 研究背景
当今时代，科技的高速发展对信息数据的传输与处理提出更高的要求，电磁波是实现信息传递的载体之一，利用传统光学器件对电磁波的调控存在器件大、费用高、功能单一等问题。为此，科学家们引入超表面的概念，即利用平面型“人工原子”，按照特定排列方式构建而成的准二维超构材料，具有超薄、损耗低等独特优势，为实现复杂多功能器件提供了可能性。许多令人印象深刻的报道，如电磁隐身、微波加密、无线通信等。然而，现阶段报道的超表面大多数为半空间或者单向调控，这极大地限制了超表面对电磁空间资源的充分利用。另外，采用“交错拼接”，“分区设计”等方法，将超表面划分成不同空间区域以对应不同功能的方法，但是这种方法无法破解“多功能集成-器件尺寸之间的相互制约的矛盾”：即超表面的集成功能越多，所需要的尺寸越大，所引发的串扰、加工工艺和制作成本的增加。因此，双向全空间超表面的非交错拼接排列设计是值得探究的。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员设计了一款双向多功能数字编码超表面，可用于调控全空间的电磁波。当电磁波分别从超表面的正向和反向入射时，超表面可以实现对反射波和透射波的独立调控来实现完全不同的功能（见图1）。并且此超表面采用的是非交错的形式，每个单元对于各通道的调节都可以充分利用，大大的减少了各通道之间的串扰，也解决了多功能集成与尺寸之间制约的问题。通过对单元结构参数的调整，超表面可以实现四个不同的通道传输，在低成本、小型化通信领域中具有重要的应用场景。
图2 全空间调控汇聚超表面仿真测试结果（a）-（d）电磁波正向和反向入射超表面所需的反射及透射相位分布图。（e）仿真结果。（f）测试结果。
为了验证所设计的超表面的实际性能，研究人员加工制作了两款具有不同汇聚功能及全息成像的多功能超表面。如图2所示，超表面展示了不同的汇聚功能，当电磁波从超表面正向入射时，其反射汇聚1点，透射通道汇聚2点。当电磁波从超表面反向入射时，其透射通道汇聚3点，反射通道汇聚4点。实验测试结果与仿真结果吻合，且表现出良好的汇聚效果。
图3 全空间调控超表面全息成像仿真测试结果（a）-（d）电磁波正向和反向入射超表面所需的反射及透射相位分布图。（e）仿真结果。（f）测试结果。
采用改进的加权Gerchberg-Saxton（GSW）算法来获得所需的全息成像的相位分布，编码模式如图3（a）-（d）所示，当入射电磁波沿着正向传播时，该超表面的反射通道呈现全息字母“L”，而透射通道呈现全息字母“O”。当入射电磁波沿着反向传播时，该超表面的反射通道呈现全息字母“V”，透射通道呈现全息字母“E”。如图3（e）和（f）所示，实验结果与仿真具有良好的吻合性，这种方向选择性聚焦、全息成像等电磁波调控新机制可以进一步实现小型、高效的双向光学镜片和成像系统，应用前景广泛。
4. 应用与展望
研究团队提出的具有全空间散射通道的非交错Janus超表面，使电磁波在相反入射方向上的操纵达到了一个新的程度。超表面通过引入在微波频率下具有非交错排列的元原子设计，设置不同的光路可以切换不同的通道，并且所有通道呈现的图像都独立显示。在两个方向上实现的多功能全息成像远远超过了以往对单向功能的尝试。一系列计算和实验结果表明，我们研究的非对称方法提高了电磁空间的利用率，为研究者们调控电磁波提供了更多维度。进一步的工作可以扩展设备的带宽，将提出的方法应用到毫米波和太赫兹频段。此外，此透射-反射集成多功能Janus超表面可以促进先进紧凑的成像系统和空间多路复用、数据加密和解密等应用。
该研究成果以“A Non-Interleaved Bidirectional Janus Metasurface with Full-Space Scattering Channels”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Guanyu Shang, Guangwei Hu, Chunsheng Guan, Yue Wang, Kuang Zhang, Qun Wu, Jian Liu, Xuemei Ding, Shah Nawaz Burokur, Haoyu Li, Xumin Ding, Cheng Wei Qiu，其中前三位作者为共同第一作者，Shah Nawaz Burokur、李浩宇、丁旭旻、仇成伟为共同通讯作者。
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