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Cover| 超薄超构材料实现任意形状、大入射范围角反射器

发布:HPLlaser阅读:437时间:2021-1-16 21:21:09

角反射器可以使一束光线原路返回。过去的角反射器可以分为两类,一类因体积较大,无法做成集成元件,比如锥体棱镜、猫眼反射器和Eaton透镜;另外一类为基于超表面的薄平面角反射器,但反射效率随视角变化降低。为了得到高效率、宽工作角度的薄平板型角反射器,可使用光学表面变换的方法设计任意形状的角反射器。

光学表面变换是由变换光学理论扩展得到的,其优点包括:1)设计过程简单,仅需通过几何表面投影的方式即可设计,无需复杂的数学计算;2)所有基于光学表面变换设计得到的器件,无论功能、形状和尺寸如何改变,都只需要一种光学零空间介质材料即可实现(零空间介质的形状和主轴选取不同方向);3)设计方法很容易扩展到其他物理场甚至是多物理场同时调控。

太原理工大学孙非和刘一超副研究员以及浙江大学何赛灵教授领导的研究团队借助光学表面变换理论的特性,通过表面投影的方法合作设计研发了一款新型角反射器,该工作发表在Chinese Optics Letters 2020年第18卷第10期(Fei Sun, Yichao Liu, Yibiao Yang et al., Arbitrarily shaped retro-reflector by optics surface transformation)。该反射器使用超薄超构材料实现了返射效果,克服了传统器件体积庞大的缺点,可以广泛应用于平板集成系统、紧凑型传感器、导航和通信系统。

基于光学表面变换理论,角反射器可以被设计为超薄的平板结构(厚度为波长的2/3),在入射角范围从-50°到+50°时效率高达98%。即使入射角达到80°,设计得到的角反射器效率仍然大于50%。所有基于光学表面变换设计得到的角反射器都只需要一种均匀的各向同性材料(光学零空间介质)即可实现。

在这项工作中,研究人员使用超薄超构材料实现了返射效果,相较于传统体积庞大的角反射器是一个很大的进步,在材料的应用上亦实现了简单化:具有近零折射率的超构材料和金属板即可满足批量生产要求。文中设计的角反射器还有一个独特功能就是可以随意调整形状,这种灵活性为某些特殊应用场合提供了更多选择。总之,这项工作为角反射器提供了更加灵活的形状,同时保持了出色的回反射效率。

该工作在实际应用中尚有一定的局限性,一方面是需要引入接近零折射率的材料,另一方面是单极化。因此,其后续工作是用普通电介质代替近零折射率的材料,同时扩展角反射器到既适用于TE波又适用于TM波,入射光束的方向也应拓展到整个上半平面。解决了上述问题后,进一步的计划是将该角反射器扩展到多物理场应用,比如只使用一种设备便可同时对电磁波和声波起到回反射作用。

来源:中国激光

 

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