基于超表面的多功能电磁辐射调控技术研究

With rapid development of optical system and modern microwave communication technology, it is difficult for traditional electromagnetic radiation device to satisfy requirement of multi-function. Multi-function electromagnetic radiation devices are very attractive since it has the advantage in multi-band operation, miniaturization and integration. However, to best of our knowledge, there is little research on the multi-function electromagnetic radiation technology. Most of the existing electromagnetic radiation devices suffer from the disadvantage of narrow-band and fixed electromagnetic radiation function. Recently, metasurfaces has attracted much attention due to its unique electromagnetic modulation characteristic, which may provide a low cost way to design reconfigurable and multi-function electromagnetic radiation devices. In this project, we will investigate the physical mechanism of metasurface on electromagnetic radiation modulation, and study the integration design of multiple electromagnetic radiation manipulation technologies. This project may provide a novel method for simultaneously controlling the polarization state, beam direction and operation frequency, which paves the way for the application of this kind of metasurface into the micro/nano optoelectronic integration, radar and satellite communication.

在光学系统和微波通信系统中，单一调控性能的电磁辐射器件很难满足对电磁设备功能多样化的需求。多功能电磁辐射器件具备多频带、小型化、一体化的优势，受到了高度的关注。然而，目前对多功能电磁辐射调控技术的研究相对较少，并且现有的大多数电磁辐射调控器件存在工作带宽窄，难以动态调控等缺点。近年来，超表面结构材料受到了研究人员的广泛关注，由于其对电磁波辐射性能具有优良的调控性能，为低成本、可重构、多功能的电磁辐射调控器件的发展提供了一条全新的技术途径。本项目进一步研究基于超表面的电磁辐射调控机理，并对超表面的多种电磁辐射调控性能的集成技术进行探索研究。在此基础之上，设计出对电磁波束方向、偏振状态和工作频率具有实时操控性能的超表面，有望应用于微纳光电集成、雷达和卫星通信等领域。

在光学系统和微波通信系统中，单一调控性能的电磁辐射器件很难满足对电磁设备功能多样化的需求。多功能电磁辐射器件具备多频带、小型化、一体化的优势，受到了高度的关注。然而，目前对多功能电磁辐射调控技术的研究相对较少，并且现有的大多数电磁辐射调控器件存在工作带宽窄，功能单一等缺点。近年来，超表面结构材料受到了研究人员的广泛关注，由于其对电磁波辐射性能具有优良的调控性能，为低成本、可重构、多功能的电磁辐射调控器件的发展提供了一条全新的技术途径。本项目进一步研究基于超表面的电磁辐射调控机理，并对超表面的多种电磁辐射调控性能的集成技术进行探索研究，主要开展了以下四个方面的工作。.1、设计了一种多功能超构表面器件来实现带内高效透波和带外宽带雷达散射缩减功能，将透波特性和波束散射低RCS特性结合起来，适合作为低散射天线罩且适用于曲面环境。可以在不影响RCS缩减性能的情况下，在通带内进一步集成极化转换等特殊的电磁调控功能。.2、提出了一种用单层超构表面在两个不同的波段实现不同OAM模式的涡旋光束的方法。结合谐振相位调制结构和几何相位调制结构的超构表面单元被用来构建这个涡旋超构表面器件，并且两种相位调制结构可以独立地控制不同频率的涡旋光束，具备波束偏折性能。器件厚度小，成本较低。.3、提出了双波长地毯式超构表面cloak, 可在两个频段分别实现对反射波相位的独立调控。该cloak在垂直入射波照射下，不仅能在不同波长处呈现出平地的电磁散射特性，也能模拟出其它不同物体的电磁散射外形。同时，该地毯式cloak也表现出了良好的角度适应性。该设计无疑拓展了地毯式cloak的工作带宽和潜在应用，为其进一步发展提供了新的思路。.4、利用几何相位单元和RFSS膜层构造了该超构表面，结合波束散射和电磁吸收功能实现了宽带RCS缩减。两种RCS缩减机制在不同频段起主导作用。此方法可以应用在类似的波束散射超构表面中通过引入RFSS实现RCS缩减带宽大幅提高。.通过两年的研究，项目组已基本掌握基于超表面技术的多功能电磁辐射调控器件的工作机理、设计方法和制备工艺，已在IEEE transactions on antennas and propagation，Optics express, Advanced optical materials等高质量期刊上发表文章4篇，培养博士研究生2名。