基于手性几何超表面的圆极化全通道独立相位调控

来源：两江科技评论

撰稿| 由课题组供稿

导读

在对圆极化电磁波的调控技术中，基于几何相位的超表面器件已被广泛研究，并在诸多领域取得应用。然而，由于几何相位和传输相位物理机制的限制，出射圆极化波无法得到全部利用，导致了出射能量的浪费和损失。哈尔滨工业大学张狂副教授团队与法国的Shah Nawaz Burokur教授团队和Patrice Genevet教授团队合作，提出了一种独立控制圆极化全部通道的相位调控方案。通过引入手性诱导相位，结合传输相位与几何相位，可在全部的四个圆极化通道中调节得到独立波前分布，从而实现出射能量的全场利用。相关研究成果以“Independent phase modulation for quadruplex polarization channels enabled by chirality-assisted geometric-phase metasurfaces”为题，发表在《Nature Communications》上，博士生袁乐眙为文章第一作者，张狂副教授、丁旭旻副教授、Shah Nawaz Burokur教授和Patrice Genevet教授为共同通信作者。

研究背景

对于圆极化电磁波的极化调控来说，其极化通道可被分为两个同极化通道（co-polarized channels，即左旋圆极化入射-左旋圆极化出射、右旋圆极化入射-右旋圆极化出射），和两个交叉极化通道，（cross-polarized channels，即左旋圆极化入射-右旋圆极化出射、右旋圆极化入射-左旋圆极化出射）。在基于超表面结构的圆极化电磁波调控技术当中，几何相位超表面（geometric metasurface）是目前最直接且最简便的方法之一。然而根据Pancharatnam–Berry (PB) 相位原理可知，几何相位调控方案只能够在两个交叉极化通道中产生共轭对称的相位响应，无法对两个同极化通道产生任何的调控作用。根据相关成果报道，将传输相位因子引入在几何相位的调控方案中，可打破两种正交极化通道的共轭耦合性，实现两种独立的交叉极化出射波前。然而值得注意的是，虽然传输相位因子是通过产生同极化相位响应来对两个交叉极化通道进行解耦，但传输相位对入射波的圆极化状态并不具备选择性，仍然无法独立控制两条同极化传输通道。因此，如果能够实现对全部圆极化通道的独立利用和设计，这将在多功能集成、可重构器件及小型化系统设计等领域有着重大的意义。

创新研究

在这项工作中，研究人员提出一种能够独立控制所有圆极化通道的相位调控方案，可在四个圆极化通道内分别引入独立的空间相位分布，从而可实现不同的波前功能。例如，我们将携带不同轨道角动量拓扑荷数的涡旋波束的空间相位分布函数分别加入到四个圆极化通道当中，通过改变入射端和出射端的圆极化状态，便可获得携带不同轨道角动量数量的涡旋波前分布，如图1所示。

图1 圆极化全通道独立相位调控的原理示意图

文中首先以异常偏转波前为例，设计了一种能够使四通道出射波分别偏转至不同方向的超表面。该超表面结构在左旋圆极化波束照射下，其同极化出射波可偏转至-35°，交叉极化出射波偏转角度为0°；当入射波极化状态改为右旋圆极化时，同极化出射波的波前与传播轴夹角为-16°，而交叉极化出射波前与传播轴夹角为58°。该超表面结构的仿真及测试结果如图2所示。

图2 全通道独立偏转超表面的设计与验证。(a) 独立偏转超表面的示意图。(b) 组成该超表面的四通道极化相位响应。(c) 四通道偏转波前远场方向图。(d) 该超表面的加工实物照片。(e) 四通道偏转波前随频率变化的场分布结果。

文中进一步验证了四通道独立偏转波前随着入射波极化状态的变化过程。任意极化状态的入射波都可分解为不同比例的正交圆极化的组合，且可通过庞加莱球加以描述。研究人员以五种极化入射波为例：右旋圆极化、右旋椭圆极化、线极化、左旋椭圆极化、左旋圆极化，分别检测了其出射场中的波前偏转情况，其结果如图3所示。可见，随着入射波极化方式的改变，其出射场中的能量均可被有效利用，并且出射场中正交圆极化通道间的能量比例与入射波中正交圆极化状态的分解比例保持高度一致。

图3偏转波前的衍射级随入射波极化状态的变化过程。(a) 在右旋圆极化波的照射下，四通道出射场远场方向图。 (b) 在右旋椭圆极化波的照射下，四通道出射场远场方向图。(c) 在线极化波的照射下，四通道出射场远场方向图。(d) 在左旋椭圆极化波的照射下，四通道出射场远场方向图。(e) 在左旋圆极化波的照射下，四通道出射场远场方向图。

总 结

该设计方案通过结合手性诱导相位、传输相位和几何相位，分别对四个圆极化通道间的内部一致性进行解耦，独立地改变四个圆极化通道的相位响应，通过切换入射端和出射端的圆极化状态，便可获得四种完全不同的功能性波前分布。文中分别设计了具有四种不同出射方向的偏转超表面和携带四种不同轨道角动量数的涡旋超表面，实测结果与仿真结果的高度一致性有力地证明了该方案的可行性，同时该设计方案对入射波极化状态的高包容度也进一步验证了超表面对出射能量的高度利用率，以及出射场中正交极化功能的稳定性。该设计思路可拓展至其他频段通过改变结构或材料加以复现，同时可被应用于多功能波前集成器件、多路复用信道传输系统、可重构天线设计等多个领域。