曲率和旋转诱导几何相位复合的自旋解耦超表面- 大数跨境

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曲率和旋转诱导几何相位复合的自旋解耦超表面

两江科技评论

2024-05-05

导读：近日空军工程大学人工结构功能材料与器件陕西省重点实验室、苏州实验室-空军工程大学空天超材料实验室王甲富教授和梁建刚教授联合团队，提出了通过曲率诱导和旋转诱导几何相位复合调控实现正交圆极化波解耦的设计方

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撰稿|王振旭（空军工程大学）

图1 基于曲率诱导和旋转诱导几何相位复合的自旋解耦超表面的设计原理示意图

导读

几何相位在宽带相位调控技术中应用非常广泛。然而，通过整体旋转超表面结构单元获得的Pancharatnam-Berry（P-B）几何相位（Type I几何相位）本身具有自旋锁定特性，即当超表面结构单元整体旋转一定角度时，对于右旋圆极化（Right-handed Circular Polarization，RCP）波和左旋圆极化（Left-handed Circular Polarization，LCP）波，分别获得大小相等、符号相反的P-B几何相位（Type I几何相位），两种圆极化波获得的几何相位是相互锁定的。这种自旋锁定特性导致无法对两正交圆极化波进行独立调控，不利于设计实现极化复用多功能超表面。

立足于自旋解耦几何相位的调控机理，近日空军工程大学人工结构功能材料与器件陕西省重点实验室、苏州实验室-空军工程大学空天超材料实验室王甲富教授和梁建刚教授联合团队在Laser & Photonics Reviews发表最新文章，提出了通过曲率诱导和旋转诱导几何相位复合调控实现正交圆极化波解耦的设计方法。其原理示意图如图1所示，为了打破Type I几何相位（即旋转诱导产生的P-B几何相位）的自旋锁定特性，通过对结构单元上的表面电流进行局部调控，仅使RCP波获得几何相位，将通过这种方式获得的几何相位记为曲率诱导的Type II几何相位。对Type I几何相位和Type II几何相位进行复合调控，就能实现对正交圆极化波的解耦设计。设计、制作并实验验证了两个双通道多功能超表面。仿真和实验结果都验证了上述自旋解耦几何相位调控机理的可行性。

该研究成果不仅拓展了自旋解耦超表面的设计自由度，在通信、传感、成像等领域也具有广泛的应用前景。

研究背景

尽管利用几何相位调控超表面可以灵活调控电磁波的响应，通过构造特定的相位剖面，就可以实现需要的电磁功能，以及设计所需的电磁器件，然而，由于Type I几何相位本身固有的自旋锁定特性，仅靠单一的相位调控方法越来越不能满足电磁器件集成化、小型化以及智能化的应用需求，因此，亟需拓展几何相位的工作机理。

为了能够实现更加灵活地调控圆极化电磁波的相位，满足电磁器件集成化、小型化的应用趋势，针对Type I几何相位的自旋锁定特性，近年来，研究人员提出了一系列的改进方法，这些改进方法被统称为几何相位的自旋解耦（Spin-decoupled）。

研究亮点

针对上述挑战，为了更简便地实现对正交圆极化的解耦设计，首先基于表面电流局部调控思想，理论分析了仅针对单一圆极化波的Type II几何相位的调控机理；随后，通过额外引入Type I几何相位进行复合调控，即可实现对正交圆极化波的解耦设计。基于此，研究人员优化设计出“S”形结构单元。理论计算和仿真结果表明，通过调整其上臂和下臂弧长的几何参数，仅能对RCP交叉极化反射波提供Type II几何相位；通过对整体结构单元进行旋转，可以使RCP交叉极化反射波和LCP交叉极化反射波同时获得自旋锁定的Type I几何相位，因此，会有，，如此，即可实现对正交圆极化波的解耦设计。以双通道涡旋波产生器为例，验证了上述自旋解耦几何相位调控机理的可行性。随后，通过在“S”形结构单元的相应位置加载集总电阻，可以进一步实现对正交圆极化波的幅值进行独立调控，基于此，设计构造了可对LCP波和RCP波的幅值和相位同时调控的极化复用多功能超表面，利用所构造的幅相同调极化复用多功能超表面，构建了一款双通道全息成像器。仿真和实验结果都验证了上述设计方法的可行性。

首先，研究人员设计构造了能够复合Type I和Type II两种几何相位的“S”形结构单元，其在正交圆极化波入射时的表面电流分布以及电磁响应如图2所示。结果表明，在RCP波入射时，表面电流主要分布在上下臂的圆弧上，而中间金属线几乎没有响应；在LCP波入射时，激发的表面电流主要分布在中间金属线上，而上下臂的圆弧几乎没有响应。因此，当通过调整角度参数α改变上下臂圆弧的长度时，只能针对单一的RCP波，使其反射相位获得Type II几何相位；而对结构单元进行旋转一定的角度时，RCP和LCP波的反射相位都将获得Type I几何相位，因此，通过调整角度参数α和对结构单元进行旋转，可以对RCP和LCP波的交叉极化反射相位进行独立调控，实现对正交圆极化波的解耦设计。

图2 “S”形结构单元示意图及其在正交圆极化波入射时的表面电流分布以及电磁响应

对Type I几何相位和Type II几何相位进行复合调控时的仿真结果如图3所示。仿真结果表明，同时调整旋转角度θ和角度参数α，RCP反射波将会同时获得Type I几何相位和Type II几何相位，而且能实现2π的相位变化；而对于LCP反射相位而言，其只受旋转角度θ的影响，即只获得了Type I几何相位。如此，通过调整旋转角度θ和角度参数α，实现了对Type I几何相位和Type II几何相位的复合调控，即实现了对正交圆极化波的解耦设计。

图3 在正交圆极化波入射时，反射幅值和反射相位随旋转角度θ和角度参数α变化而变化的仿真结果

综上所述，通过调整旋转角度θ和角度参数α，可以实现对Type I几何相位和Type II几何相位进行复合调控，进而实现对正交圆极化波的解耦设计。按照所设计的结构单元，会有：

（1）

因此，通过对Type I几何相位和Type II几何相位进行复合调控，可以实现对正交圆极化波的解耦设计，根据公式（1）可以计算出超表面中每个结构单元的角度参数α和旋转角度θ。

此外，根据图2（d）和（e）中在正交圆极化波入射时“S”形结构单元上的表面电流分布可知，其在RCP波和LCP波入射时产生了不同且非常分明的电磁响应，这为进一步独立调控正交圆极化波的反射幅值提供了依据。

当在“S”形结构单元上的合适位置处加载集总电阻时的仿真结果如图4所示。仿真结果表明，通过调整加载在结构单元上下臂圆弧上的集总电阻的阻值，可以实现对RCP反射幅值从0.0到1.0的灵活调控，而LCP反射幅值几乎不受影响；通过调整加载在中间金属线上的集总电阻的阻值，可以实现对LCP反射幅值从0.0到1.0的灵活调控，而RCP反射幅值几乎不受影响。即通过在结构单元上下臂圆弧处以及中间金属线上加载集总电阻，能够对正交圆极化波入射时的反射幅值进行独立且灵活地调控。

图4 在结构单元上加载集总电阻，以及在正交圆极化波入射时相应的仿真结果

随后，以构建的双通道涡旋波产生器为例，对上述自旋解耦几何相位的调控机理的可行性进行了验证，如图5所示。

图5 设计构造的双通道涡旋波超表面示意图及其近场仿真结果

上述构建的双通道涡旋波产生器验证了提出的自旋解耦几何相位的调控机理的可行性，随后，通过引入幅值调控，设计构造了一种能够对正交圆极化波反射相位和反射幅值同时调控的极化复用多功能超表面，并基于所构造的幅相同调极化复用多功能超表面构建了一款双通道全息成像器，其能够在两个正交极化通道中独立再现高清的全息图像，如图6所示。