基于几何相位调控的电磁超表面设计研究

Wave front shaping by introduce abrupt changes of optical properties using meta-surface have attracted intensive investigation. The Pancharatnam-Berry (PB) phase, which is frequency independently introduced to circular polarization conversion components of transmitted waves by the rotation of optical element, is an elegant solution to accurately introducing uniform abrupt phase changes through wide frequency range. However, this geometric phase can only be introduced to the circularly polarization conversion components of transmitted wave or the polarization residual components of reflected wave. The effective bandwidth of geometric phase based metasurface is limited by the ability of its building blocks on circular polarization modulation. In this project, we proposed to design broadband and high efficiency metasurface based on chiral metamaterials, which possess excellent circular polarization modulation features. The project will also explore the physical mechanism for the independent regulation of the geometric phase of the orthogonal circularly polarized components in a racemic system in order to obtain a more flexible and efficient means of wavefront control. In addition, the project will also develop an ultra-thin planar non-chirality metamaterial structure with excellent circular polarization modulation features to achieve broadband high-efficiency geometric phase based metasurface devices, which are easy to fabricate and can be extended to high frequencies regimes. The research contents of this project is of great significance to improve the electromagnetic wave modulation techniques based on metasurface.

基于超表面的电磁波波前调控是超材料领域前沿热点。由于Pancharatnam-Berry phase的引入不依赖工作频率，使其成为在宽频段上准确进行电磁波波前相位调控的理想手段。但这类几何相位仅作用于透射波中发生了圆极化转换或反射波中未发生圆极化转换的成分。受制于目前超材料结构单元圆极化调控能力的限制，无法充分利用几何相位调控的宽带特性，基于超表面的器件有效工作带宽较窄。本项目拟将几何相位调控手段与具有优秀圆极化调控能力的手征超材料结构单元结合，以获得宽带高效超表面器件设计；本项目还将探索消旋系统中正交圆极化成分几何相位独立调控的物理机制，以获得更加灵活，高效的波前调控手段；此外，本项目还将发展具有优异圆极化调控能力的超薄的平面非手征超材料结构，以获得更易于加工，且可拓展至高频的宽带高效几何相位超表面器件设计。本项目研究内容的顺利完成将对基于超表面的电磁波调控技术的发展起到重要作用。

超表面通过亚波长尺度结构单元在电磁波波前直接引入幅度、相位、极化等电磁波基本属性的突变，实现对电磁波输运行为的灵活调控，是当前人工电磁材料领域前沿研究方向之一。Pancharatnam-Berry相位是由电磁波极化态演进所引入的经典几何相位，可通过与电磁波相互作用的微结构的几何变换实现不依赖电磁波频率的全范围相位调控，是宽带高效率准确进行电磁波波前相位调控的理想手段。为充分利用几何相位宽带、灵活的相位调控能力，本项目提出在具有优异圆极化调控能力的手征结构、极化隔离独立调控的消旋体系和易于实现的平面微结构体系中开展几何相位超表面研究。项目按计划开展研究，完成了预设的研究目标和研究内容，具体如下：1）针对手征微结构开展了几何相位超表面设计研究，获得了透射、反射两类宽带高效超表面设计，并在此基础上研究了辐射系统的几何相位效应，实现了多模式涡旋波束发生器件；2）基于多重散射方法研究解释了消旋系统的极化隔离、独立调控机制，优化设计了具有电磁波幅度、相位、极化全属性调控能力的消旋系统超表面器件；3）设计实现了基于平面微结构的宽带、高效率几何相位超表面，并通过极化演进路径的人工设计实现了幅相解析调控的几何相位超表面，通过引入自旋转向相关几何相位实现了极化解耦超表面；4）基于多重散射和本征模式展开等解析方法，探索了多层平面微结构、螺旋对称结构超表面的耦合机制，获得了器件优化设计方法以及针对线极化波的幅度、相位调控机理。在本课题的资助下，相关工作内容在Photonics Research，IEEE Transactions on Antennas and Propagation，New Journal of Physics，Physical Review Applied，ACS Nano，Annalen Der Physik等国际学术期刊上发表论文10篇，所发表论文均已标注本基金。共申请发明专利6项，其中1项已获得授权，申请并获授权实用新型1项。项目执行期间，共培养毕业博士2人，毕业硕士4人。