LPR: 基于二自由度控制系统的中红外动态波前转换器

撰稿|由课题组供稿

 近日，电子科技大学光电科学与工程学院朱伟明研究员及合作者，在光学著名期刊《激光与光子学评论》 (Laser & Photonics Reviews) 在线发表题为《基于二自由度控制系统的中红外动态波前转换器》 (Mid-Infrared Dynamic Wavefront Transformer Based on a Two-Degrees-of-Freedom Control System) 的论文。该论文研究了重构超表面控制系统与输出波前自由度之间的函数映射关系，提出了一种利用泰勒展开将控制函数映射到重构超表面输出波前函数的范式，为重构超表面器件的研究提供了理论基础。基于该理论，论文演示了重构超表面的波束控制功能，实现了大视场角（-65.6°~65.6°）的连续调控以及6 kHz的机械调制速率。

基于电磁振荡的原理，超表面可以在亚波长尺度下自由操纵光的幅相特性，因而被广泛应用于设计各种平面光学器件，其中可调超表面的研究与设计被学者们热切关注。通常情况下，只有通过独立控制超表面单元结构的响应才可以实现任意波前的输出。

然而，在大多数实际应用场合，器件的输出波前可以用有限自由度的函数组来描述。例如波束转向器，输出波前可以用平面函数组描述，其转向角依赖于两个正交参数（法线方向角），属于二自由度系统。然而大多数波束转向器件的控制系统（如相控阵雷达）都依赖于远大于输出波前自由度的复杂控制系统，利用相移器对每一个天线单元进行独立控制。因此控制系统的自由度取决于相移器的个数大大增加了波束转向器的成本。基于论文所提理论，朱伟明研究员及其合作者利用二自由度控制系统实现了对波束转向器转向角的任意调控，规避了亚波长尺度下独立控制超表面单元结构响应所需的复杂系统和技术挑战，使得整个系统变得简单且高效。

图1. 动态波面转换器的概念演示

该团队利用两块超表面分别对输入的光波波前进行“重构”和“调制”。如图1所示，“超表面A”将一个任意的“输入波前”先转换为“重构波前”，并通过“超表面B”的两个正交平面内位移将“重构波前”调制为所需的“输出波前”。其中，“重构波前”在两块超表面之间的演化可由“瑞利-索墨菲”衍射公式所描述。

图2. 超表面波前相位演化及“切向波矢”与“位移矢量”的映射关系

如图2所示，该团队研究并推导了满足平移偏转光束功能的“超表面A”和“超表面B”所需要的相位方程，发现输出波前的“切向波矢”(kx, ky)与“超表面B”的“位移矢量”(Sx,Sy)可用一个包含相位方程参数的2×2 “耦合矩阵”联系，当“耦合矩阵”的行列式不为零0时，可以通过“位移矢量”输出任意的“切向波矢”，即实现任意偏转。同时，改变相位方程的设计参数还可以改变“位移矢量”与“切向波矢”的映射关系。

图3. 偏转角度的理论计算与实验测量对比以及系统响应速率测试

通过制备和实验，该团队利用纯硅超表面在工作波长为10.6 μm的CO₂激光下成功验证并实现了视场角为131.2°×131.2°的可连续调谐的光束偏转器，其实验结果很好的吻合了理论计算，如图3所示。另外，得益于简单的控制系统和平面内调制方式，该系统在压电陶瓷的驱动下达到了6kHz的调制速率。更进一步，该团队发现通过相同的推导和设计思路可以利用平面内“位移矢量”控制输出波前在两个方向上的焦距(f_x, f_y)。其中，当设计满足约束条件“f_x=f_y”时，该超表面组将实现Alvarez lens的功能。

电子科技大学光电工程与科学学院硕士研究生邓文俊与江世斌为论文共同第一作者，同济大学的施宇智特聘研究员和电子科技大学刘志军教授、臧冠兴、秦晋、朱世钰参与了研究，朱伟明研究员为论文通讯作者。该项目得到了国家自然基金委员会的支持。