Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronics Information Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
2 Aerospace Institute of Advanced Material & Processing Technology, Beijing 100074, China
3 School of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China
4 Hubei Longzhong Laboratory, Xiangyang 441000, China
In this paper, we propose an ultrabroadband chiral metasurface (CMS) composed of S-shaped resonator structures situated between two twisted subwavelength gratings and dielectric substrate. This innovative structure enables ultrabroadband and high-efficiency linear polarization (LP) conversion, as well as asymmetric transmission (AT) effect in the microwave region. The enhanced interference effect of the Fabry–Perot-like resonance cavity greatly expands the bandwidth and efficiency of LP conversion and AT effect. Through numerical simulations, it has been revealed that the cross-polarization transmission coefficients for normal forward (-z) and backward (+z) incidence exceed 0.8 in the frequency range of 4.13 to 17.34 GHz, accompanied by a polarization conversion ratio of over 99%. Furthermore, our microwave experimental results validate the consistency among simulation, theory, and measurement. Additionally, we elucidate the distinct characteristics of ultrabroadband LP conversion and significant AT effect through analysis of polarization azimuth rotation and ellipticity angles, total transmittance, AT coefficient, and electric field distribution. The proposed CMS structure shows excellent polarization conversion properties via AT effect and has potential applications in areas such as radar, remote sensing, and satellite communication.
chiral metasurface linear polarization conversion asymmetric transmission Fabry–Perot-like resonance electromagnetic interference model Chinese Optics Letters
2023, 21(11): 113602
1 武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081
2 武汉科技大学 耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉 430081
为了克服超表面普遍具有的波长依赖性，提出了一种基于几何相位的多功能超薄超表面，在双频点处对透射圆偏振太赫兹波实现独立波前调控。该超表面单元由表层金属层和中间介质层组成，其中表层金属图案相同，均是由双C型开口环谐振器、中间金属圆环和长方形金属片谐振器构成。通过分别旋转表层金属谐振器，可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位。将单元结构按照特定的规律排列，可对入射波的波前实现任意调控，例如，在低频f1 = 0.701 THz，分别实现了携带拓扑电荷数+1、+2、+3、+4的涡旋波束，其纯度均在60%以上；在高频f2 = 1.663 THz，实现了对入射圆偏振波的汇聚，且焦距误差仅为0.04。仿真结果表明，设计的超表面在双频点处对电磁波具有良好的调控。
太赫兹 双频点 几何相位超表面 波前操控 terahertz dual-frequency geometric phase metasurfaces wavefront manipulation 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220377
武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081
本文提出了一种基于石墨烯超表面的效率可调太赫兹聚焦透镜。该超表面单元结构由两层对称的圆形镂空石墨烯和中间介质层组成，其中镂空圆形中间由长方形石墨烯片连接。该结构可实现偏振转换，入射到超表面的圆偏振波将以其正交的形式出射，如左旋圆到右旋圆偏振转换。利用几何相位原理，通过旋转长方形条的方向，透射波会携带额外的附加相位并能满足2π范围内覆盖。合适地排列石墨烯超表面的单元结构，以实现太赫兹聚焦透镜。仿真结果表明：通过改变石墨烯的费米能级，可以对超表面圆偏振转换幅度进行调节，进而超透镜的聚焦效率也可以动态调节。因此，这种基于石墨烯超表面的效率可调聚焦透镜不用改变单元结构的尺寸，只需通过改变费米能级便可实现，可以广泛地应用到能量收集、成像等太赫兹应用领域。
超表面 聚焦透镜 石墨烯 太赫兹 metasurface focusing lens graphene terahertz
武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081
本文提出了一种基于椭圆形镂空石墨烯的太赫兹宽带可调超表面反射线偏振转换器，通过模拟仿真和法布里-佩罗多重干涉理论进行了验证。设计的超表面模型类似三明治结构，分别由顶层各向异性的椭圆形镂空石墨烯结构、中间介质层和底层金属板组成。仿真结果表明：当给定的石墨烯弛豫时间和费米能级分别为τ =1.0 ps, μc=0.9 eV 时，设计的超表面结构偏振转换率(PCR)在0.98 THz～1.34 THz 的频率范围内超过90%，相对带宽为36.7%。另外，在谐振频点1.04 THz 和1.28 THz，PCR 分别高达99.8%和97.7%，这说明设计的超表面可以将入射的垂直(水平)线偏振波转换为反射的水平(垂直)线偏振波。通过法布里-佩罗多重干涉理论进一步验证了该模型，理论预测与数值仿真结果吻合得比较好。此外，设计的超表面反射线偏振转换特性可以通过改变石墨烯的费米能级和电子弛豫时间来动态的调节。因此，设计的基于石墨烯的可调超表面偏振转换器在太赫兹通信、传感以及太赫兹光谱领域具有潜在的应用价值。
线偏振转换器 超表面 石墨烯 干涉理论 linear polarization converter metasurface graphene interference theory
1 武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室, 湖北 武汉430081
2 武汉科技大学信息科学与工程学院, 湖北 武汉 430081
研究了具有异质结构且适用于3~5 μm红外光区的一维光子晶体高反射镜,系统地分析了光波在一维周期性光子晶体中的反射特性,通过传输矩阵计算和仿真验证了λ/4介质膜系的反射率和最佳禁带宽度。在此基础上,选取Si和Y2O3两种材料,构造了24层一维光子晶体的双异质结构,仿真结果表明:在3~5 μm红外波段,该结构的反射率为97.418%~99.999%。为了减少膜层数量,以金属银为衬底,设计了以Si和Y2O3为介质层结构的一维金属增强型光子晶体,其总层数为9层,仿真结果表明:在3~5 μm红外波段,其反射率为98.943%~99.979%。
光学设计 高反射镜 光子晶体 λ/4介质膜系; 异质结构 金属增强型光子晶体 optical design high reflector photonic crystal λ/4 dielectric film system; hetero-structure metal enhanced
