可重构特异材料表面电磁输运及圆极化波束动态调控研究

Metamaterials, a class of artificially engineered structures comprised of subwavelength building blocks, have been reported at the end of last century and attracted intensive investigations. Their extraordinary electromagnetic properties support many nontrivial phenomena and have large potential in application. Planar metamaterials, also known as metasurface, are of great interest due to their capability of manipulating light waves within optically thin thickness. Reconfigurable technique makes them more feasible for practical applications, and becomes a hotspot in researches on metasurface. In this project, we will theoretically and experimentally investigate the electrodynamics of reconfigurable metasurface, as well as its potential applications. We focus on the comprehensive control of circularly polarized waves, referring to high transparency, polarization and phase manipulation, and dynamic beam steering and beam forming. Rigorous coupled wave analysis (RCWA) and modal expansion method are employed to theoretically study the resonant modes of metasurface and their impact on wave modulation. Wave front engineering and its reconfigurability are investigated by numerical simulations and microwave experiments. The findings have great potentials in satellite communications, deep-space communication links and radar system, which deserves an in-depth investigation. Prior studies reveal that broadband wave manipulation with circular polarization can be achieved by stacking anisotropic metasurfaces. The research scheme is proved feasible; and the project will be accomplished successfully with the grant.

特异材料是上世纪末科学家提出的一种人工微结构材料，具有很多新奇的物理现象和广泛的应用价值，近年来得到了全世界科学家的广泛关注。特异材料表面（Metasurface）可使电磁波在亚波长厚度内得到调控，可重构是其走向应用的一个重要手段，是最新前沿热点。本课题拟围绕圆极化波的高效透波、相位和极化调控，以及波束动态调控开展有关可重构电磁特异材料表面的理论、实验及应用研究。利用严格耦合波（RCWA）和模展开算法进行特异材料表面对电磁波极化、振幅和相位调控效应的理论研究，同时开展基于特异材料表面的圆极化波束动态调控机制研究，实验制备可重构特异材料表面，验证其波束形成机理，以及动态调控能力。研究成果有望应用于卫星通信、深空探测、雷达系统等领域，具有较高的科学研究价值和很好的应用前景。预先研究证明各向异性层叠结构可用于宽频带圆极化波调控，技术路线切实可行，如获得资助将可以圆满完成预期研究目标。

随着科技的进步，电磁波调控器件朝着小型化、共面化方向发展，尤其是卫星应用领域，对器件的重量和性能提出了越来越高的要求。圆极化电磁波是卫星通信的基本载体，圆极化电磁波束的调控器件的小型化和共面化设计至关重要。传统电磁波束调控器件大小与波长相比拟. 电磁特异材料(Electromagnetic metamaterials)通过人工微结构的设计，构造电谐振或者磁谐振，可在任意波段的实现人们所需的电磁参数，具有自然界材料不能实现的诸多物理特性，自上世纪末科学家提出，就受到人们的广泛关注。特异材料的结构单元一般远小于波长，使得电磁波能在亚波长尺度上得到调控，这给人们在器件设计上提供了新的自由度，为器件的小型化、共面化设计提供了可能。通过构造亚波长功能结构，实现电磁局域谐振，并通过阵列之间的耦合，电磁特异材料(Electromagnetic metamaterials)，可在任意波段的电磁参数空间实现任意电磁材料，具有自然界材料不能实现的诸多物理特性。电磁特异材料自上世纪末科学家提出以来，受到科学界的广泛关注。近年来，特异材料的应用研究引起了新一轮的研究热潮，主要研究方向集中在如何突破工作频率带宽，可调控超材料可以通过施加外部信号来改变特异材料的电磁性质，可重构特异材料设计对于改变和扩展超材料的工作频段有重要的意义，是特异材料走向应用的一个最可行途径。近年来，人们还发现，通过对超薄电磁特异材料进行设计，可以在亚波长尺度内对透射波的相位进 行调控，也被称为特异材料表面（meta-surface）。本项目在前期工作的基础上，从实验和数值仿真方面，研究了适用于圆极化波的特异材料表面的聚焦行为，获得了高效率的聚焦超材料平板；通过在特异材料表面引入石墨烯，通过石墨烯费米能的调控，研究了可重构特异材料表面的负反射行为。从实验和数值仿真方面，研究了任意偏振波特异材料表面的反射波调控平板，实现了高效率涡旋波束产生方法。在本课题的支撑下，共发表论文14篇，申请专利4项。