化學與材料科學 - 東南大學崔鐵軍院士/蔣衛祥教授團隊《Adv. Funct. Mater.》：非線性相位分布超表面實現多階空間諧波可編程控制－鑽石舞台

點擊藍字關注我們

近日，東南大學毫米波國家重點實驗室崔鐵軍院士團隊蔣衛祥教授等人聯合新加坡國立大學仇成偉教授提出、設計並驗證了一種非線性相位分布可編程超表面，相關工作以「Programmable Controlling of Multiple Spatial Harmonics via a Nonlinearly-Phased Grating Metasurface」為題發表於《Advanced Functional Materials》期刊。與以往線性相位分布超表面不同，該工作提出的非線性相位分布超表面，通過在超表面界面的非線性反射相位分布來產生或抑制多階空間諧波並調控所有空間諧波的反射方向與反射強度，進而實現對電磁波前的高效可編程控制。作為典型應用驗證，作者演示了三種對多階空間諧波的動態調控功能，包括具有寄生諧波抑制的寬角異常反射、多階空間諧波任意反射強度分配以及多階空間諧波後向反射，如圖1所示。該工作通過僅調控相位來實現對電磁波前的高效重構，為新型電磁器件的設計提供了一種新的可選方案。

圖1. 非線性相位分布可編程超表面及其對多階空間諧波可編程控制示意圖。

研究背景

作為特殊的二維形式超材料（Metamaterial），超表面（Metasurface）在各學科領域均受到前所未有的關注，十多年來一直是光學、電磁學、聲學和材料學等學科的研究熱點。超表面不僅能夠在亞波長尺度上實現對電磁波幅度、相位、極化等物理特徵的自由調控，而且具有低損耗、低剖面和易集成等優點。

2014年崔鐵軍教授團隊提出「數字編碼和可編程超表面」，創新性地通過數字編碼方式來表徵電磁超表面，從而建立了物理世界與數字世界之間的聯繫。這種全新的數字化思維為超表面的表徵與設計提供了新思路，促進了動態可重構超表面和現場可編程超表面的發展，實現了對電磁場的實時可編程調控與數字表徵。

目前已有工作中，大多數超表面通過線性相位分布實現對電磁波的調控，而線性相位分布所提供的線性動量變化難以保證對電磁波的高效調控以及對電磁波前的精準重構，例如大角度異常反射/透射和多波束賦型等。針對這一問題，有研究人員提出幅度和相位獨立可調的復振幅超表面，但在動態可重構以及可編程復振幅超表面設計中，每個超表面單元結構至少需要兩路饋電來實現對相位和幅度的獨立控制，這無疑增加了設計成本與控制複雜度。因此，如何通過調控單一電磁物理特徵實現高效且精準的電磁波前重構成為一個亟待解決的問題。

研究內容

研究團隊提出並設計了一種可編程非線性相位光柵超表面，該超表面能夠通過調製相位實現對多個空間諧波的實時和多功能控制。通過對超表面界面處的非線性相位分布進行精細和即時的編程，可以重新配置多個空間諧波的產生和抑制，以及定製每個空間諧波的反射角度和反射強度，實時重建所需的電磁波前。為了驗證這種設計，該團隊通過實驗展示了多階空間諧波的產生和抑制、強度調控和反向反射，如圖2和圖3所示。該可編程超表面能夠實現大於305°的反射相位並使反射損耗小於2dB的，通過改變超表面相位非線性分布的變化規律，研究團隊從仿真和實驗的角度驗證了對多階空間諧波的不同調控功能，結果分別如圖4和圖5所示。這項工作為實現各種電磁波前的動態重建提供了一種實時有效方法，並可進一步應用於其他潛在場景，如全息、成像和無線通信等，同時，還有助於降低新型電磁調控器件的設計複雜度。

論文通訊作者為東南大學蔣衛祥教授和崔鐵軍院士，第一作者為東南大學博士生田翰闈，其他貢獻者包括東南大學張信歌博士，東南大學博士生孫雅倫、李欣、劉元可和新加坡國立大學仇成偉教授。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金、江蘇省研究生科研與實踐創新計劃、東南大學優秀博士學位論文培育基金的資助。

圖2. 非線性相位分布對電磁波前高效精準調控的理論驗證。

圖3. 非線性相位分布可編程超表面的單元設計與陣列實現。

圖4. 非線性相位分布可編程超表面調控多階空間諧波的仿真結果，包含電場分布、方向圖與空間諧波的耦合效率。

圖5. 非線性相位分布可編程超表面的實驗裝置與調控多階空間諧波的方向圖測試

結果。

原文鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202203120

作者簡介

向上滑動閱覽

蔣衛祥，東南大學青年首席教授、博導，教育部「長江獎勵計劃」青年學者、國家「萬人計劃」青年拔尖人才。目前主要從事電磁超表面、超材料透鏡等相關研究。承擔國家自然科學基金優秀青年基金等科研項目十餘項，在Nature Electronics、Advanced Materials等國際高水平學術刊物上發表SCI 論文110 余篇，合作撰寫電磁超材料領域英、中文專著各一本，研究成果曾多次被國際學術期刊選為「研究亮點」，所發表論文被國內外同行正面引用4300 余次。榮獲2014 和2018 年國家自然科學二等獎（均為第三完成人）、2014 年國際無線電科學聯盟「青年科學家」獎、第十七屆江蘇省青年科技獎、教育部自然科學一等獎（第二完成人）等。

崔鐵軍，東南大學首席教授，中國科學院院士，IEEE Fellow，長期從事電磁超材料和計算電磁學的研究工作，是科睿唯安全球高被引學者。創建了信息超材料新體系，負責開發了自主可控的電磁專用仿真軟件，取得了顯著的經濟效益與社會效益。研究成果入選2010年中國科學十大進展，作為第一完成人獲2011年教育部自然科學一等獎、2014年國家自然科學二等獎、2016年軍隊科學技術進步一等獎及2018年國家自然科學二等獎等。

相關進展

東南大學崔鐵軍教授Research：時空編碼數字超表面的原理與應用

中科大馬明明教授課題組《ACS AMI》：通過構建能量傳遞網絡實現可編程的多重響應聚合物驅動器

廈大侯旭教授、任磊教授/福大孫浩副教授《ACS Nano》：具有超快響應和可編程運動的液體/蒸汽/光驅動的軟多功能致動器

化學與材料科學原創文章。歡迎個人轉發和分享，刊物或媒體如需轉載，請聯繫郵箱：chen@chemshow.cn