超表面提供了一种前所未有的控制光传播的途径，并使用精心设计的几何形状的谐振器阵列来设计光物质相互作用。随着沿界面引入突然的相位不连续性，入射光的电磁（EM）特性可以按照广义Snell定律以受控的方式调整，从而在亚波长距离上完全控制传播方向、偏振和波前。这些独特的特征推动了诸如全息成像、完全吸收和非互易透射等许多新技术的发展。随着各种调谐技术的迅速出现，许多可调谐超表面被证明提供了电磁波的原位动态控制，这为诸如光束整形，主动聚焦和生物传感等各种应用开辟了新的途径。

然而建立一个可调谐的超表面的挑战涉及到对每个元件精确地激励不同强度和相位的复杂反馈网络。在这种情况下，人们对一种可替代的方法进行了研究，即数字编码超表面，它结合巧妙的几何结构设计，利用二元亚原子改变电磁波的相位波前。这样的结构对简化反馈网络是及其有用的，因为对于需要的调制只需用开和关两种状态控制电磁波的辐射和散射特性。通用的修饰谐波的方法包括在混频后为了精确控制谐波的幅度和相位使用额外的放大器和相移器。这种由子波谐振腔周期阵列组成的超表面能提供额外的自由度使入射光实现预定的响应，尤其重要的是通过充分利用其时域特性上的优势可以实现非线性的控制。

图1 时域数字编码超表面的示意图，它能够在单色波激发下产生非线性谐波，并控制它们的方向和幅度

除了利用空间梯度超表面设计光谱响应外，元素相的时间不连续性还提供额外的自由度来控制时变超表面界面处的法向动量分量，在不使用非线性材料的情况下，在光物质相互作用期间导致洛伦兹互易性的断裂。由于通信技术的快速发展，时间调制天线被开发用于辐射谐波，严格控制波行为，从而可以通过多通道传递信息。然而，这种天线缺乏通过有效的谐波操纵来调制入射波的能力。

图2 时域数字编码亚原子的例证。

除了利用空间梯度超表面设计光谱响应外，元素相的时间不连续性还提供额外的自由度来控制时变超表面界面处的法向动量分量，在不使用非线性材料的情况下，在光物质相互作用期间导致洛伦兹互易性的断裂。由于通信技术的快速发展，时间调制天线被开发用于辐射谐波，严格控制波行为，从而可以通过多通道传递信息。然而，这种天线缺乏通过有效的谐波操纵来调制入射波的能力。

图3 时域数字编码超表面的示意图和照片。a，系统地描述了时域数字编码超表面。b，实验中制作的样品（左侧）的照片。控制系统在b的右侧，由直流电源、FPGA平台、DAC模块和外部放大器模块组成。

近日，东南大学的研究人员设计并实验表征了反射时域数字编码超表面，在这项研究中，作者建立了一个时域数字编码表面，在高转换率的电磁波照射下产生谐波，可以独立控制谐波幅度和相位。通过控制集成到亚原子中的变容二极管的偏置电压，可以获得负责调节谐波强度的周期性时变反射系数。当反射系数以预定方式动态调制时，从载波信号到谐波分量观察到大的转换速率，其幅度和相位可以被精确地和单独地设计。同时，可以仔细选择亚原子的开关函数的时间延迟来修改谐波反射相位，从而可以采用超曲面来重新形成多个谐波的波前，消除了对复杂的相移网络的需要。虽然这项工作在微波频率下进行实验证实，但是结合先进的调制技术，可以进一步扩展到太赫兹和光区。这项工作为在通信、雷达和相关领域的有效谐波控制铺平了道路。相关内容以《Independent control of harmonic amplitudes and phases via a time-domain digital coding metasurface》为题，发表在《Light: Science & Applications》杂志上。

来源： Light: Science & Applications

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