反射式超構表面實現自旋角動量到軌道角動量的任意轉換

2021-01-19 兩江科技評論



近日，南京大學電子科學與工程學院馮一軍教授研究團隊將超構表面（metasurface）的傳播相位和幾何相位相結合，研究了電磁波自旋角動量（Spin angular momentum, 簡稱SAM）到軌道角動量（Orbital angular momentum，簡稱OAM）的轉換方法，從而以高效的反射型各向異性單元為基礎，通過特定的空間分布設計，在微波段利用左旋和右旋圓極化電磁波產生獨立、任意的渦旋電磁波束，為實現更加靈活的SAM到OAM轉換提供了新的有效途徑。

SAM到OAM任意轉換的超構表面功能效果示意圖


攜帶OAM的渦旋波束在通信領域具有較大潛在應用價值，因而該研究能夠為設計高通信容量的多功能渦旋波束器件提供有益指導。相關研究成果以《Dual-Helicity Decoupled Coding Metasurface for Independent Spin-to-Orbital Angular Momentum Conversion》為題，發表在近期的《Physical Review Applied》上（DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.044043）。論文第一作者為博士生丁國文，陳克博士、馮一軍教授為論文共同通訊作者。

近年來，為適應通信領域對信道容量需求的飛速增長，多輸入多輸出（MIMO）技術、可重構技術及攜帶OAM的渦旋波束應運而生。單個通信信道中可以傳輸工作在相同頻率的多個正交模式的渦旋波束，這將極大地提高通信容量與數據傳輸速度，因此已成為當前的研究熱點之一。近期，已有研究人員利用幾何相位超構表面實現了圓極化電磁波到渦旋波束的調控，但是幾何相位超構表面對兩個正交圓極化電磁波的相位響應恰好相反。當左、右旋圓極化電磁波分別照射於這種類型的超構表面時，由超構表面產生的渦旋波束的拓撲模式數恰好相反。因此，如何實現正交圓極化電磁波到渦旋波束的完全獨立、任意、去耦式調控仍然是一個亟需解決的關鍵問題。

研究人員通過設計並旋轉各向異性單元結構，將傳播相位和幾何相位相結合，利用反射式超構表面實現了電磁波SAM到OAM轉換的獨立控制。如圖1所示，該超構表面在左旋圓極化入射時，產生具有一定異常反射角的OAM模式為+2和模式為0（平面波）的渦旋電磁波，而在右旋圓極化入射時，產生OAM模式為+1和模式為-1的異常反射渦旋電磁波，且這四個波束的散射方向、模式數可以任意、獨立設計。

該研究首先通過理論模型分析推導出實現獨立控制電磁波SAM到OAM轉換所需要的傳播相位和幾何相位。通過設計各向異性單元，以滿足理論分析得出的相位要求。為了簡化設計過程，將左旋、右旋圓極化的相位響應進行編碼化設計，且採用64種單元實現3-比特左旋、右旋圓極化波的相位獨立控制（如圖2所示）。如圖3所示，為了驗證該理論模型，研究人員分別設計了三種超構表面用以實現獨立的圓極化調控功能，即在左旋、右旋圓極化入射時，該超構表面能夠獨立生成不同OAM模式的渦旋電磁波。最後，對第一種超構表面進行了樣品加工與實驗測試。實驗結果驗證了該理論模型的正確性（如圖4所示）。這種設計方法為實現不同SAM到OAM的獨立控制提供了新的有效途徑，該方法也可以很方便地擴展到其他頻段，如毫米波、太赫茲甚至光學波段。

圖1 實現SAM到OAM轉換的編碼超構表面的功能示意圖


（a）超構表面在左旋圓極化入射時，產生OAM模式為+2和模式為0（平面波）的異常反射渦旋電磁波；

（b）超構表面在右旋圓極化入射時，產生OAM模式為+1和模式為-1的異常反射渦旋電磁波。

圖2 實現左旋、右旋圓極化波相位獨立控制的3-比特64種單元結構


圖3 實現SAM到OAM轉換的編碼超構表面的性能分析

（a, e, i）三種超構表面對應的左旋圓極化的相位編碼圖案；

（b, f, j）三種超構表面對應的右旋圓極化的相位編碼圖案；

（c, g, k）分別為相應的左旋圓極化輻射方向圖；

（d, h, l）分別為相應的右旋圓極化輻射方向圖。


圖4 實驗和仿真分析結果對比

（a）超構表面樣品；

（b）在16 GHz處渦旋波（OAM模式為+1）的近場相位的仿真分析和實驗測試結果；

（c）在12 GHz到18 GHz的xoz平面內二維歸一化輻射方向圖的仿真分析和實驗測試結果對比；

（d）在16 GHz處xoz平面內二維歸一化輻射方向圖的仿真分析和實驗測試結果對比；

（e）在12 GHz到18 GHz的yoz平面內二維歸一化輻射方向圖的仿真分析和實驗測試結果對比；

（f）在16 GHz處yoz平面內二維歸一化輻射方向圖的仿真分析和實驗測試結果對比。


參考文獻

[1] S. Sun, Q. He, S. Xiao, Q. Xu, X. Li, and L. Zhou, Gradient index meta-surfaces as a bridge linking propagating waves and surface waves, Nat. Mater. 11, 426 (2012).

[2] T. J. Cui, S. Liu, and L. L. Li, Information entropy of coding metasurface, Light Sci. Appl. 5, e16172 (2016).

[2] R. C. Devlin, A. Ambrosio, N. A. Rubin, J. B. Mueller, and F. Capasso, Arbitrary spin-to-orbital angular momentum conversion of light, Science 358, 896 (2017).

[3] Y. Guo, M. Pu, Z. Zhao, Y. Wang, J. Jin, P. Gao, X. Li, X. Ma, and X. Luo, Merging geometric phase and plasmon retardation phase in continuously shaped metasurfaces for arbitrary orbital angular momentum generation, ACS Photonics 3, 2022 (2016)

[4] K. Chen, Y. Feng, F. Monticone, J. Zhao, B. Zhu, T. Jiang, L. Zhang, Y. Kim, X. Ding, and S. Zhang, A reconfigurable active Huygens』 metalens, Adv. Mater. 29, 1606422 (2017).

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DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.044043

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