全相调控超表面实现能量可调的圆极化路由

来源：两江科技评论

在圆极化波入射下，基于几何相位构造的超表面器件能够调节出射场中交叉极化分量的相位，而对于出射场中的同极化分量却无法进行人为调控，因此必然会造成部分能量损失，同时也导致了同极化传输通道的闲置。近日，哈尔滨工业大学张狂副教授、丁旭旻副教授团队与Université Paris Nanterre 的Shah Nawaz Burokur教授团队和新加坡国立大学的仇成伟教授团队合作，研发了一种基于全相调控的超表面极化路由，通过传输相位引入附加自由度，实现对出射场中同极化及交叉极化分量进行同步调控，不仅为其赋予独立的波束波前，同时还能有效地调节分配于两个正交极化通道内的能量比值。相关研究成果近日发表在《Advanced Science》上。

研究背景

近年来，超表面的快速发展为电磁波的人工调控领域提供了宽广且丰富的研究空间。其中，基于几何相位调控原理的超表面（几何超表面，geometric metasurface）是调控圆极化电磁波最简单方便的方法，仅需要改变超表面单元的旋转角度便可在交叉极化出射场中引入所需的相位分布。根据Pancharatnam–Berry 相位的物理机制可知，几何超表面只能影响出射场中交叉极化分量的相位响应，所以目前关于几何超表面的大部分研究工作都将重点聚焦在了尽可能地提高交叉极化转化率上。然而在实际操作中，无法实现所有单元结构的交叉极化转化率都同时达到100%，随之产生的同极化分量便无法被人为调节，造成了出射能量的损失与浪费，与此同时，同极化的传输通道也只能处于闲置状态。因此，开发对同极化传输通道的控制机制，从而实现对出射能量的整体高效率利用是一项意义深远的课题。

创新研究

在这项工作中，研究人员提出一种能够同时控制出射场中两种正交极化分量的超表面路由，可在同极化和交叉极化传输通道内引入两种独立的相位分布函数，从而实现完全不相关的相位波前。与此同时，分布于两个正交通道内的出射能量亦可根据超表面单元的设计进行调节。设计原理由图1所示。

图1 超表面路由的原理示意图

文中首先验证了超表面路由对出射正交极化通道的独立波前调控。在左旋圆极化波的照射条件下，同极化出射场中可产生焦距为150 mm的汇聚波束，同时在交叉极化场中产生携带轨道角动量模式数为+1的涡旋波束。其仿真及测试结果如图2所示。

图2 超表面路由在圆极化波入射下的多功能波前验证。(a) 多功能波前调控方案示意图。(b) 该超表面路由的加工实物照片。(c) 在左旋圆极化波束的照射下，同极化出射场的能量分布呈汇聚波束分布，(d)-(e) 交叉极化涡旋波束的能量及相位分布结果。(f) 在右旋圆极化波束的照射下，同极化汇聚波束的能量分布结果，(g)-(h) 交叉极化出射场的能量分布呈汇聚型涡旋波束分布。其中，(i) 仿真结果，(ii)测试结果。

更进一步，文中验证了超表面路由对正交极化出射通道能量比例的调控方案，其结果如图3所示。该验证过程针对于特定的左旋圆极化波束照射，在同极化分量中产生波前偏转至-34°的偏转波束，在交叉极化出射场中产生携带轨道角动量模式数为+1的涡旋波束。通过调节超表面单元结构在长轴和短轴方向上的线极化相位差分别为0°、45°、90°、135°和180°，超表面路由在左旋圆极化波入射下的同极化和交叉极化出射能量比分别对应为0、0.17、1、6.13 和∞。归一化的同极化及交叉极化能量分布结果如图3(b)-(c)所示，可见随着单元结构的正交线极化相位差的改变，分布于两个正交极化通道内的能量比值也会对应改变。

图3 超表面路由对出射正交极化通道的能量分配比调控验证。(a) 能量分配比调控方案示意图。(b) 在左旋圆极化波的照射条件下，不同能量分配比的超表面路由产生的同极化偏转出射波的远场分布，其中(i)-(iii)分别对应线极化相位差分别为45°、90°和135°的超表面路由。(c)-(e) 线极化相位差分别为45°、90°和135°的超表面路由产生的交叉极化涡旋波束的能量及相位分布，其中，(i) 仿真结果，(ii)测试结果。(f)，(g) 在左旋圆极化波的照射条件下，不同能量分配比的超表面路由产生的同极化及交叉极化远场方向图，其中(i)-(v)分别对应线极化相位差分别为0°、45°、90°、135°和180°的超表面路由。(h) 能量比的计算、仿真及测试结果分析。

总 结

该设计方案通过对传输相位因子进行人为调节，可在圆极化波入射条件下，在同极化和交叉极化传输通道中引入独立的功能波前分布和可调节的能量分配比例，从而实现了出射场能量的百分之百利用率。该设计方案可被拓展至其他频段进行应用，同时也可拓展至反射模式的超表面器件中。该项研究为多功能继承型超表面器件提供了一种全新的思路，可应用于自旋选择性光学研究、自旋霍尔效应超表面、多膜集成超表面器件等方面。