Light | 以线性和非线性方式调控极化和相位

本文由论文作者团队投稿

▎导读

极化和相位是电磁波的重要属性，在数据存储、成像和波束赋形等领域有着广泛的应用。因此，对电磁波的极化和相位进行自由调控具有重要意义。超表面由于其低剖面、低损耗和易于共型等优势成为调控电磁波的有前景的平台。2014 年，东南大学崔铁军院士课题组提出了数字编码和可编程超表面的概念，通过离散化的编码序列来操纵复杂的电磁波，从而简化了超表面的设计和优化过程。这一方法引起了国内外学者的广泛关注。近年来，该团队提出了时空编码超表面，实现了同时在时间和空间两个维度上同时对电磁波进行操控，增加了超表面对电磁波频率域调控的维度，拓宽其应用范围。许多研究学者对时空编码超表面进行了深入的研究，取得了多项引人注目的应用。目前，时空编码超表面已被用于实现对电磁波多个维度的调控。然而，现有研究中尚缺乏对极化方向的任意调控。

近日，东南大学崔铁军院士团队提出了时空极化编码超表面的理论及其一般性公式。时空极化编码超表面在现有时空编码超表面的基础上增加了极化方向任意调控的功能。

该成果发表在Light: Science & Applications，题为“Arbitrarily rotating polarization direction and manipulating phases in linear and nonlinear ways using programmable metasurface”。

▎正文

研究团队提出了一种独立调控极化和相位的方法，并设计了一个由两种不同传输/反射特性的子结构单元组成的时空极化编码超表面。通过正交极化方向上的电压控制反射波的极化方向和相位。反射波的极化方向旋转范围可以覆盖整个方位并且反射相位可以连续调控。

利用空间极化编码方案实现反射基波的波束方向和极化方向的同时调控，如图1所示。此外，利用时空极化编码方案实现非线性反射谐波的波束方向和极化方向的同时调控，如图2所示。

图1：y极化波激励下不同极化反射波的归一化三维远场散射图。(a) 0°，(b) 45°和(c) 90°。极化方向是在与波束传播方向正交的平面上

图2：能够产生不同极化反射波的二维时空极化编码矩阵。(a) 0°，(b) 45° 和 (c) 90°；在不同极化下，基波、+1和-3谐波处的归一化远场散射方向图测试结果；(d) 0°，(e) 45°和 (f) 90°极化反射波。极化方向是在与波束传播方向正交的平面上

▎总结与展望

与时空编码超表面相比，时空极化编码超表面增加了对极化调控的维度，提高了对电磁波调控的灵活性，并扩展了超表面的应用范围。尽管当前设计的时空极化编码超表面工作在微波频段，但该方法可以扩展到太赫兹甚至光学领域。未来，时空极化编码超表面在电子对抗、成像和无线通信领域展现出广阔的应用前景。

▎论文信息

Liu, W., Wang, S.R., Dai, J.Y. et al. Arbitrarily rotating polarization direction and manipulating phases in linear and nonlinear ways using programmable metasurface. Light Sci Appl 13, 172 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01513-2

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