鑽石舞台

摘要：上海交通大學朱衛仁課題組提出了一種在單一超表面上實現多樣化的極化和波前的獨立調控方法。作為實例，作者設計了基於極化復用超構單元的反射式四波束超表面，實現了各個波束的任意極化和波前調控，實驗驗證了超表面的全極化多點成像效果。這項工作為波前操控、數據存儲提供了一種新思路。

關鍵字：Advanced Materials Technologies, 電磁超表面, 多通道調控, 極化轉換, 波前操控

隨着無線通信的發展，數據傳輸以及存儲的容量提升變得越來越重要。相應的，利用超表面來實現電磁波的多功能調製受到了越來越多的關注。研究者們提出了頻分復用、極化復用以及有源動態調控等方法來實現多功能超表面。其中，極化復用技術有其獨特的優勢，每個正交極化狀態都可以被視為通信系統中的獨立信息通道。理想的極化復用超表面可以在不同的極化信道中實現獨立的功能。雖然超表面已被廣泛研究用於靈活操縱電磁波的波前和極化，但傳統的超表面通常僅實現單極化調控，在單個超表面上實現獨立的極化和波前調控具有挑戰性。另一方面，以往的各向異性全息超表面通常只有少量的信號傳輸通道，如x和y雙通道，限制了超表面器件的信道容量。通過將兩個或多個超原子集成到一個超級單元中，由此構成的超表面可以提供不同的空間復用，從而產生具有獨立波前和極化狀態的多功能組合，可以極大得拓展超表面對極化和波前的調製方式。

近日，上海交通朱衛仁課題組針對上述問題提出了一種利用極化復用超表面實現多通道極化和波前獨立調控的簡單方法。首先分析了超表面對電磁波的多通道操控基本原理，接着設計了具有各向異性離散相位的超表面單元，仿真分析了單元的電磁性能，通過改變超構單元的尺寸參數可以獨立地控制兩個正交線極化波的反射相位，進而可以分別控制反射波的極化態和傳播相位。課題組利用這些單元構建了具有四種極化通道的反射型超表面，在25 GHz處仿真驗證了超表面可將水平極化、垂直極化、左旋圓極化和右旋圓極化四個極化通道的出射波分別匯聚到多焦點全息成像圖的任意預設位置，實驗和仿真結果與理論預設一致。本文提出的方法僅通過控制傳播相位實現了輸出波相位和極化的獨立控制，極大降低了設計的複雜性。相比已報道的研究工作，本論文提出的極化復用全息超表面不僅具有很高的效率，而且可以實現多通道獨立操控。這項工作在數據存儲、無線通信等方面有潛在應用。

相關論文以「Multi-Channel Metasurface for Versatile Wavefront and Polarization Manipulation」為題，發表在學術期刊 Advanced Materials Technologies（DOI：10.1002/admt.202200524）上。上海交通大學博士研究生邵琳達為該論文的第一作者，朱衛仁副教授為論文的通訊作者，論文共同作者還包括上海交通大學博士生李振飛，上海科技大學的王雄教授和博士生張怔平。