一种基于超材料波导阵列的入射波调控方法和装置与流程

本申请属于超材料技术领域，尤其涉及一种基于超材料波导阵列的入射波调控方法和装置。

背景技术：

超材料是一种亚波长尺寸的人工材料，拥有一些自然材料不具备的性质参数。近年来，电磁波及声学超材料均得到了较大的发展，尤其是结构化的二维超材料在等效介质层面引入了超大、零、各向异性或者负的折射率性质参数，目前已应用于操纵声波产生新的物理现象以及研发多种新型器件，例如可以通过超材料波导阵列调控入射波。

为了改变波导阵列的功能效应，可以通过改变波导阵列中的超材料波导单元的等效折射率实现。在现有技术中，可以通过改变超材料单元的结构参数来改变波导单元的等效折射率，例如改变超材料单元的长度、面积或体积等，或者可以通过额外增加维度、使用压电材料或增加外接电路制作等效折射率可调的波导单元。然而，上述改变波导阵列的功能效应的方法繁琐、步骤复杂，无法简单快捷地调控入射波。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种基于超材料波导阵列的入射波调控方法，可以简单快捷地进行入射波的调控。

第一方面，本申请实施例提供了一种超材料波导阵列，包括：

获取针对入射波的调控需求和所述入射波的入射波长；

根据所述入射波长构建波导单元，其中，所述波导单元的宽度小于所述入射波长，所述波导单元内设置有可旋转的椭圆形结构，所述波导和所述椭圆形结构均由满足诺伊曼边界条件的材料构成；

根据所述波导单元、所述入射波长和法布里-珀罗共振条件构建波导阵列，其中，所述波导阵列包括多条波导通道，所述波导通道包括多个所述波导单元；

根据所述调控需求分别旋转所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构；

使用旋转后的所述波导阵列对所述入射波进行调控。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于超材料波导阵列的入射波调控装置，包括：

入射波长获取模块，用于获取针对入射波的调控需求和所述入射波的入射波长；

波导单元构建模块，用于根根据所述入射波长构建波导单元，其中，所述波导单元的长度和宽度小于所述入射波长，所述波导单元内设置有可旋转的椭圆形结构，所述波导和所述椭圆形结构均由满足诺伊曼边界条件的材料构成；

波导阵列构建模块，用于根据所述波导单元、所述入射波长和法布里-珀罗共振条件构建波导阵列，其中，所述波导阵列包括多条波导通道，所述波导通道包括多个所述波导单元；

椭圆形结构旋转模块，用于根据所述调控需求分别旋转所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构；

入射波调控模块，用于使用旋转后的所述波导阵列对所述入射波进行调控。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：根据法布里-珀罗共振条件所构建的波导阵列的能量传输率高，可有效减少入射波传输时的能量消耗；另外，可通过旋转波导通道中的椭圆形结构来快速改变波导通道的等效折射率，操纵其相幅特性，以获取满足调控需求的波导阵列，从而可以简单快捷地调控入射波。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种基于超材料波导阵列的入射波调控方法的流程示意图；

图2是本申请实施例提供的一种波导单元的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种波导通道的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一种波导阵列的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的波导通道随旋转角度θ变化的透射谱及相位特性图；

图6是本申请实施例提供的超分辨率成像的结果示意图；

图7是本申请实施例提供的聚焦效果的结果示意图；

图8是本申请实施例提供的一种旋转后的波导阵列的结构示意图；

图9是本申请实施例提供的另一种旋转后的波导阵列的结构示意图；

图10是本申请实施例提供的一种基于超材料波导阵列的入射波调控装置的结构示意图；

图11是本申请实施例提供的一种入射波调控终端设备的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种基于超材料波导阵列的入射波调控方法，可以对入射波进行调控，所述入射波调控方法可以包括：

s101、获取针对入射波的调控需求和所述入射波的入射波长。

可以理解的是，入射波可以为满足诺伊曼边界条件的入射波，例如，声波、二维电磁波等。

可以理解的是，入射波的类型可以为高斯波束、平面波或点源波等，本申请不对入射波的类型作任何限定。

可以理解的是，调控需求可以是对入射光进行调控的需求，例如，可以为进行波前转换的需求、进行波前聚焦的需求、进行超分辨成像的需求。

s102、根据所述入射波长构建波导单元，其中，所述波导单元的宽度小于所述入射波长，所述波导单元内设置有可旋转的椭圆形结构，所述波导和所述椭圆形结构均由满足诺伊曼边界条件的材料构成。

如图2所示，波导单元21可以包括两条平行设置的波导壁和可旋转的椭圆形结构22，椭圆形结构22设置于两条波导壁之间。椭圆形结构22可以在外力的影响下在波导单元21内进行转动。

可以理解的是，波导单元21的尺寸为亚波长尺寸，即波导单元21的长度和宽度为亚波长，也就是说，波导单元21的长度和宽度小于入射波长。

可以理解的是，波导单元21和椭圆形结构22都由满足诺伊曼边界条件的材料制作而成，具体使用的材料在本申请中不做限定。

在一个实施例中，椭圆形结构22可绕椭圆形结构22的中心旋转，且椭圆形结构22的中心与波导单元21的中心重合。也就是说，椭圆形结构22可以绕着波导单元21的中心旋转。

在一个实施例中，波导单元21的长度和宽度相等，波导单元21的长度和宽度均小于1/5的入射波长，例如，当入射波长为6cm时，则波导单元21的长度和宽度均可以为1cm。在此，由长度和宽度均小于或等于1/5的入射波长的波导单元所组成的波导阵列可以等效于均匀的介质，从而可使得波导阵列更有利于对入射波进行调控。

在一个实施例中，椭圆形结构22长轴的长度和短轴的长度的比值可以为任意值，在本实施例中，以椭圆形结构22长轴的长度和短轴的长度的比值为1：0.25为例。

s103、根据所述波导单元、所述入射波长和法布里-珀罗共振条件构建波导阵列，其中，所述波导阵列包括多条波导通道，所述波导通道包括多个所述波导单元。

如图3所示，每一条波导通道3均可以由多个波导单元21排列组成。例如，一个通道3可以由8个波导单元21排列组成。

在一个实施例中，如图4所示，波导阵列4的宽度可以大于入射波长。例如，在波导单元21小于1/5的入射波长，且当波导阵列4包括6条或6条以上的波导通道3时，波导阵列4的宽度即可以大于入射波长。本实施例中，可以根据具体的调控需求确定波导阵列4的具体宽度。波导阵列4的长度方向为任一条波导通道3延伸的方向，波导阵列4的宽度方向与长度方向互相垂直。

可以理解的是，根据波导单元21、入射波长和法布里-珀罗共振条件构建波导阵列4中，每一条波导通道3都满足法布里-珀罗共振条件，即每一条波导通道3都可以可以引起入射波的法布里-珀罗共振。

具体地，法布里-珀罗共振条件为：

n*k0*l＝m*π

其中，n为任意一条波导通道3的等效折射率，k0为自由波矢，自由波矢和入射波长关联，l为波导通道3的长度，m为共振阶数。

具体地，可以根据波导通道可以获取等效折射率n，其中，由于波导通道的等效折射率可以随着波导通道内椭圆形结构的转动而变化，等效折射率n可以是一个数值范围。另外，因自由波矢与入射波长关联，因此本实施例可以根据入射波长计算自由波矢，其中，自由波矢k0＝2π/λ，λ为入射波长。在此，获取等效折射率和自由波矢后，则可以通过法布里-珀罗共振条件计算出满足法布里-珀罗共振条件的波导通道3对应的长度范围，并可以根据波导通道3对应的长度范围和波导单元的长度确定出每条波导通道3内可以包含的波导单元21的数量范围。

如图3所示，在确定波导通道3所包含的波导单元21的数量范围后，可以在数量范围内任选一个目标数量，并可以将上述目标数量的波导单元21排成一列，以组成在入射波下可以处于法布里-珀罗共振状态的波导通道3。然后可以将波导通道3排成一行构建成如图4所示的波导阵列4，即可使得根据波导单元21、入射波长和法布里-珀罗共振条件构建的波导阵列4中的每一条波导通道3都可以满足法布里-珀罗共振条件。

示例性的，在入射波长为6单位，波导通道3的长度和宽度都为1单位的场景中，当确定每条波导通道3内包含6个波导单元21时，即可以使得波导通道3满足法布里-珀罗共振条件，其中，上述单位可以是微米、纳米或厘米等任何单位，入射波长的单位与波导通道3的长度和宽度的单位相同。

示例性的，入射波的入射波长位于19cm～100cm范围内，且波导通道3的长度和宽度都为1cm的场景中，当确定每条波导通道3内包含20个波导单元21时，即可以使得波导通道3满足法布里-珀罗共振条件。

s104、根据所述调控需求分别旋转所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构。

可以理解的是，波导通道3中的所有椭圆形结构22都可以在外力作用下转动。示例性的，可以根据调控需求分别旋转波导通道3中的某几个波导单元21，也可以旋转波导通道3中的所有波导单元21。

在一个实施例中，在s104、根据所述调控需求分别旋转所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构之前，还可以包括：

在所述入射波下旋转第四波导通道中的所有椭圆形结构，并获取所述第四波导通道对应的透射谱和相位特性图，所述第四波导通道为所述波导通道中的任一条。

可以理解的是，可以单独测量第四波导通道，即可以单独测量波导阵列4中的某一条波导通道3，以方便快捷的获得各波导通道3的透射率和相位。具体地，可以通过旋转第四波导通道中所有的椭圆形结构22，并获取在入射波下随旋转角度变化的透射谱及相位特性图。

需要说明的是，旋转角度可以是椭圆形结构22对应的方向和参考方向之间的夹角。示例性的，如图2所示，椭圆形结构22对应的方向可以是椭圆形结构22长轴的方向，参考方向可以是波导单元21的长度方向，椭圆形结构22长轴的方向与波导单元21的宽度方向之间的夹角为旋转角度θ。

在本实施例中，如图5所示，x轴为旋转角度的变化，左边的y轴为透射率，右边的y轴为归一化的相位，第四波导通道在入射波下可以从0度旋转至90度，即透射谱及相位特性图中的角度变化从0到π/2。

在此，可以根据所述透射谱和所述相位特性图确定所述第四波导通道出现法布里-珀罗共振透射峰时的透射峰角度，并可以根据所述透射峰角度确定所述第一角度和所述第二角度，所述第一角度对应的法布里-珀罗共振透射峰与所述第二角度对应的法布里-珀罗共振透射峰的相位相差π。

可以理解的是，如图5所示，透射谱及相位特性图上可以出现多个法布里-珀罗共振透射峰，共振透射峰对应的透射率接近于1，每个法布里-珀罗共振透射峰都会对应一个旋转角度，该旋转角度即可以为第四波导通道出现法布里-珀罗共振透射峰的透射峰角度。

可以理解的是，第四波导通道满足法布里-珀罗共振条件，当第四波导通道中所有的椭圆形结构22旋转至透射峰角度时，第四波导通道对入射波的传输率可为100％。

可以理解的是，当第四波导通道满足法布里-珀罗共振条件时，其具有相位锁定的优点，即相邻的两个透射峰角度对应的相位之间的相位差为π。本实施例中可以选取相邻的两个透射峰角度，并分别确定为第一角度和第二角度。

在一个实施例中，当所述调控需求为进行超分辨成像的需求时，s104、根据所述调控需求分别旋转所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构可以包括：

步骤a、获取在所述入射波下使所述波导阵列共振的透射峰角度；

步骤b、将所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构均旋转至所述透射峰角度。

可以理解的是，当波导阵列4中所有椭圆形结构22都旋转至某一透射峰角度时，入射波可以引起整个波导阵列4的共振。波导阵列共振的透射峰角度可以从透射谱及相位特性图中获取，也可以通过其他任何方式获取，例如，也可以在旋转椭圆形结构的过程中，观察入射波的成像图，当可以观察到清晰的成像图时，停止对旋转椭圆形结构的旋转，停止旋转时对应的角度即可以为波导阵列共振的透射峰角度，本申请对透射峰角度的获取方式不做任何限定。

s105、使用旋转后的所述波导阵列对所述入射波进行调控。

在一个实施例中，入射波可以沿波导阵列4的长度方向入射。

示例性的，当调控需求为进行超分辨成像的需求时，旋转后的所述波导阵列4中所有的椭圆形结构22都旋转至同一透射峰角度。

可以理解的是，波导阵列4中所有的椭圆形结构22的旋转角度都相同，且都旋转至同一透射峰角度时，即每条波导通道的相位相同和每条波导通道的透射率相同时，波导阵列4可以相当于均匀的介质，其中，均匀的介质可以用于成像，因此，所有的椭圆形结构22的旋转角度都相同的波导阵列可以用于成像。

在此，当入射波入射旋转后的波导阵列4时，可以引起整个波导阵列4的共振，也就是说，当波导阵列中的所有椭圆形结构22都旋转至同一透射峰角度时，该波导阵列传输率近乎为100％，在传输过程中基本不会引起能量的耗散。而波导阵列引起入射波共振的波长范围越大，则超分辨成像越宽频，因此，可旋转的波导阵列可以实现宽频超分辨成像。

可以理解的是，波导阵列4并不局限于二维的平面结构，也可以是三维的立体结构，本实施例可以根据具体的调控需求构建对应的波导阵列4。

示例性的，若入射波为双源信号的衰逝波，当衰逝波从波导阵列的入射界面入射时，衰逝波所携带的信息可以通过波导阵列的共振传输到出射界面，从而可以得到如图6所示的超分辨率成像的成像图。根据图6的成像图可知，双源信号的衰逝波入射经过波导阵列的调控后，可使两个源清晰成像，并可使得两个源之间的间隙很深，可在成像图上可以清楚的区分，从而可实现宽频的超分辨成像。其中，图6中的y轴为归一化的场强，x轴为成像位置与波导阵列中轴线之间的距离，上述中轴线与长度方向平行。

本实施例中，波导单元的等效折射率可随椭圆形结构的旋转而变化，使得由波导单元排列组成的波导通道内等效于折射性质可变化的介质，进而使得由波导通道排列组成的波导阵列可等效于折射性质连续可调的介质层，因此，旋转波导单元的椭圆形结构即可以调节波导阵列的等效折射性质，从而可以简单、快速地进行入射波的调控。另外，本实施例中可以根据法布里-珀罗共振条件和入射波长确定出波导通道内的波导单元的数量，使得包含了上述数量个波导单元的波导通道能够满足法布里-珀罗共振条件，进而可以连续地引起入射波的法布里-珀罗共振。由上述波导通道组成的波导阵列至少可以找到一个旋转角度，例如透射峰角度，当波导阵列中所有的椭圆形结构都旋转至透射峰角度时，可以引起入射波的法布里-珀罗共振，此时，理论上能量传输率可以基本达到100％，可有效减少入射波传导时的能量消耗。因此。只需要获取出现法布里-珀罗共振透射峰时的旋转角度即可确定每个椭圆形结构的旋转角度，从而可以简单快速地调控入射波，并且可以实现宽频的超分辨率成像。

实施例二

如图1所示，本实施例提供了一种基于超材料波导阵列的入射波调控方法，可以对入射波进行调控，所述入射波调控方法可以包括：

s101、获取针对入射波的调控需求和所述入射波的入射波长。

在本实施例中，所述调控需求为进行波前聚焦的需求。

s102、根据所述入射波长构建波导单元，其中，所述波导单元的长度和宽度小于所述入射波长，所述波导单元内设置有可旋转的椭圆形结构，所述波导单元和所述椭圆形结构均由满足诺伊曼边界条件的材料构成。

s103、根据所述波导单元、所述入射波长和法布里-珀罗共振条件构建波导阵列，其中，所述波导阵列包括多条波导通道，所述波导通道包括多个所述波导单元。

其中，步骤s101至步骤s103可具体参照实施例一中步骤s101至步骤s103的描述，在此不再赘述。

s104、根据所述调控需求分别旋转所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构。

在此，s104、根据所述调控需求分别旋转所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构，可以包括：

步骤c、获取所述调控需求对应的需求焦距，并根据所述需求焦距确定聚焦条件。

在一个实施例中，需求焦距可以是任何距离，例如，可以为无穷远、1.5λ、1λ、0.75λ，其中，λ为入射波长。

在一个实施例中，可以利用下述公式确定所述聚焦条件：

其中，xi为聚焦条件，round{}为四舍五入近似函数，λ为所述入射波长，f为所述需求焦距，i为正整数。步骤d、当第一波导通道与所述波导阵列中的中心波导通道之间的距离满足所述聚焦条件时，则确定所述第一波导通道的目标角度为第一角度，所述第一波导通道为所述波导通道中的任一条，并将所述第一波导通道中的椭圆形结构均旋转至所述第一角度。

可以理解的是，波导阵列4中的中心波导通道3是波导阵列4中设置于中心位置的波导通道3。例如，在波导阵列4包括依次排列的5条波导通道3时，第3列波导通道3即为中心波导通道3。

可以理解的是，因为当两个第一波导通道与中心波导通道之间的距离相同，这两个波导通道对应的目标角度也相同，所以关于中心波导通道对称的第一波导通道对应的目标角度相同。基于上述原因，在具体应用中，可以先根据上述聚焦公式确定计算出波导阵列中一半的波导通道对应的目标角度角度，再根据上述对称性确定出另一半的波导通道对应的目标角度角度。

可以理解的是，第一角度是指椭圆形结构22的长轴方向与参考方向之间的夹角。

可以理解的是，第一波导通道与波导阵列4中的中心波导通道3之间的距离可以为第一波导通道与波导阵列4中的中心波导通道3之间的列数差。例如，当第一波导通道位于第1列，中心波导通道3位于第3列时，第一波导通道与中心波导通道3的距离可以为2。

步骤e、当所述第一波导通道与所述中心波导通道之间的距离不满足所述聚焦条件时，则确定所述第一波导通道的目标角度为第二角度，并将所述第一波导通道中的椭圆形结构均旋转至所述第二角度。

可以理解的是，第二角度也是指椭圆形结构22的长轴方向与参考方向之间的夹角。

可以理解的是，当第一波导通道与波导阵列4中的中心波导通道3之间的距离等于任一聚焦条件xi时，则可以认为第一波导通道与中心波导通道3之间的距离满足聚焦条件。

应理解，波导阵列4中的中心波导通道3一般不满足聚焦条件，因此可以将中心波导通道3的椭圆形结构22均旋转至第二角度。

示例性的，可以根据上述聚焦公式对波导阵列4进行编码。具体地，首先，可以将需要旋转至第一角度的第一波导通道作为编码单元“1”，需要旋转至第一角度的第二波导通道作为编码单元“0”。其次，可以先将波导阵列4中所有的波导通道都设置为编码单元“0”，即所有波导通道3中的椭圆形结构都旋转至第二角度。然后，可以根据需求焦距和聚焦条件确定出编码单元“1”的位置，并将该位置上的编码单元“0”转换为编码单元“1”，即将上述位置上的椭圆形结构从第二角度旋转至第一角度。

在一个实施例中，当需求焦距为无穷远的时，编码序列可以为“000000000000000000000”。

在一个实施例中，当需求焦距为1.5λ的时，可以根据上述聚焦条件计算出波导阵列右半部分的编码序列为“1100011000011000011000000”，其中，右半部分从中心波导通道右边的第一条第一波导通道开始。

在一个实施例中，当需求焦距为1λ的时，可以根据上述聚焦条件计算出波导阵列右半部分的编码序列为“001100011000011000110000”，其中，右半部分从中心波导通道右边的第一条第一波导通道开始。

在一个实施例中，当需求焦距为0.75λ的时，可以根据上述聚焦条件计算出波导阵列右半部分的编码序列为“0001100011000110000110000”，其中，右半部分从中心波导通道右边的第一条第一波导通道开始。

本实施例中的波导阵列4具有可以编码化的优点，波导阵列4中只存在编码单元“0”和编码单元“1”。只需要根据一定的规则将编码单元“0”和编码单元“1”进行排列，就可以构建出用于对入射波调控的波导阵列4。

s105、使用旋转后的所述波导阵列对所述入射波进行调控。

示例性的，在入射波为高斯信号调制的近似平面波，且波导阵列4可以包括60条波导通道3的场景中，当需求焦距为无穷远时，即当不需要对入射波进行聚焦时，即可以计算出所有第一波导通道与中心波导通道之间的距离都不满足聚焦条件，此时可将所有的波导通道3都旋转至第二角度，并可使用旋转至第二角度的波导阵列4对入射波进行调控，以得到可如图7中的a和e所示的调控结果图。其中，a为聚焦效果的实验结果图，e为聚焦效果的仿真结果图。

示例性的，在入射波为高斯信号调制的近似平面波，且波导阵列4可以包括60条波导通道3的场景中，当需求焦距为1.5λ、1λ或0.75λ时，在将满足聚焦条件的第一波导通道旋转至第一角度，将不满足聚焦条件的波导通道3旋转至第二角度后，可使用旋转后的波导阵列4对入射波进行调控，以得到如图7中的b、c、d、e、f、g和h所示的调控结果图。图7中的y可以为成像位置与出射界面之间的距离，x为成像位置与波导阵列中轴线之间的距离，上述中轴线与长度方向平行。图7中的纵轴方向可以为归一化的场强。其中，b为需求焦距为1.5λ时的实验结果图，f为需求焦距为1.5λ时的仿真结果图，c为需求焦距为1λ时的实验结果图，g为需求焦距为1λ时的仿真结果图，d为需求焦距为0.75λ时的实验结果图，h为需求焦距为0.75λ时的仿真结果图。

由图7所示的实验结果图和仿真效果图可以看出，本实施例具有良好的聚焦效果，可以体现对入射波调控的有效性与灵活性。

在本实施例中，当每一条波导通道都满足法布里-珀罗共振条件时，可以根据透射谱及相位特性图确定第一角度和第二角度，其中，第一角度和第二角度都是法布里-珀罗共振透射峰所对应的旋转角度。所有椭圆形结构都旋转至第一角度的波导通道和所有椭圆形结构都旋转至第二角度之间的相位差相差π，而其他材料不具备这样的特性，需要调试参数才能获得需要的相位，即满足法布里-珀罗共振条件的波导通道具有相位锁定的优点。当进行波前聚焦调控需求时，只需要确定波导阵列中的波导通道需要旋转至第一角度或第二角度即可，无需其他复杂的计算、材料参数标定或相位调整等步骤，可以简单快速的确定与需要的相位对应的目标角度，从而可以简单快速的调控入射波，并且可以达到预期效果。

实施例三

如图1所示，本实施例提供了一种基于超材料波导阵列的入射波调控方法，可以对入射波进行调控，所述入射波调控方法可以包括：

s101、获取针对入射波的调控需求和所述入射波的入射波长。

在本实施例中，调控需求可以为进行波前变换的需求。

s102、根据所述入射波长构建波导单元，其中，所述波导单元的长度和宽度小于所述入射波长，所述波导单元内设置有可旋转的椭圆形结构，所述波导单元和所述椭圆形结构均由满足诺伊曼边界条件的材料构成。

s103、根据所述波导单元、所述入射波长和法布里-珀罗共振条件构建波导阵列，其中，所述波导阵列包括多条波导通道，所述波导通道包括多个所述波导单元。

其中，步骤s101至步骤s103可具体参照实施例一中步骤s101至步骤s103的描述，在此不再赘述。

s104、根据所述调控需求分别旋转所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构。

在一个实施例中，s104、根据所述调控需求分别旋转所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构可以包括：

步骤f、根据所述调控需求确定波前变换对应的变换条件。

可以理解的是，进行波前变换的需求可以是将某种类型的入射波变换成另一种类型的波，例如，将衰逝波变换为平面波。

可以理解的是，当波前变换的需求不同时，变换条件也不同。例如，对于相变周期不同的衰逝波可以通过旋转椭圆形结构22，使波导阵列4宽度方向上的相位产生周期性变化，来将特定传输模式的衰逝波转变为在空间中自由传播的平面波。例如，可以通过旋转椭圆形结构22使波导阵列的第一条波导通道对应的相位为0，第二条波导通道对应的相位为π，第三条波导通道对应的相位为0，第四条波导通道对应的相位为π，第五条波导通道对应的相位为0，第六条波导通道对应的相位为π，以此使得波导阵列4在宽度方向上的相位产生周期性变化。每一个相位周期宽度可以为2倍的波导通道的宽度。

相变周期不同的衰逝波，其相位周期宽度可以不同，在此，可以根据相变周期确定相位周期宽度，其中，相位周期宽度可以是波导阵列4的任一个相位周期的宽度。本实施例中，可通过调节第二波导通道和第三波导通道中波导通道3的数量，来获得波前变换所需要的相位周期宽度。

具体地，相位周期宽度可以和相变周期相同。例如，当入射波为相变周期为4cm的衰逝波，且进行波前变换的需求是将相变周期为4cm的衰逝波变换为平面波时，则相位周期宽度可以为4cm，若波导通道的宽度为1cm，则第二波导通道和第三波导通道中分别包括4条波导通道。

步骤g、基于所述变换条件确定所述波导阵列中目标角度为第一角度的第二波导通道，并确定所述波导阵列中目标角度为第二角度的第三波导通道。

可以理解的是，第二波导通道的相位与的第三波导通道的相位之间的相位差可以为π。在此，目标角度是指第二波导通道中的椭圆形结构或第三波导通道中的椭圆形结构需要旋转至的角度，例如，第二波导通道的目标角度为第一角度，即第二波导通道中所有椭圆形结构需要旋转至第一角度。

在一个实施例中，第二波导通道和第三波导通道在波导阵列4中连续交替排列，从而可以使波导阵列4的相位产生周期性变化。

步骤h、将所述第二波导通道中的椭圆形结构旋转至所述第一角度，并将所述第三波导通道中的椭圆形结构旋转至所述第二角度。

可以理解的是，第二波导通道可以包括一条波导通道3或多条波导通道3，第三波导通道可以包括一条波导通道3或多条波导通道，且第二波导通道和第三波导通道中所包括的波导通道3的数量相同。在此，可以通过改变第二波导通道和第三波导通道所包括的波导通道3的数量来改变波导阵列4的相位周期宽度。

示例性的，如图8所示，若变换条件为使波导阵列4的相位周期宽度为2，此时，第二波导通道可以包括一条波导通道3，第三波导通道可以包括一条波导通道3，第二波导通道和第三波导通道波导通道3交替排列，即旋转后的波导阵列4中从一端到另一端的波导通道3可以分别为“10101010”，其中，编码单元“1”对应的是旋转至第一角度的波导通道3，编码单元“0”对应的是旋转至第二角度的波导通道3。

示例性的，如图9所示，若变换条件为使波导阵列4的相位周期宽度为4，此时，第二波导通道可以包括两条波导通道3，第三波导通道可以包括两条波导通道3，即旋转后的波导阵列4中从一端到另一端的波导通道3可以分别为“11001100”。

s105、使用旋转后的所述波导阵列对所述入射波进行调控。

可以理解的是，当入射波入射至旋转后的波导阵列4后，通过波导阵列4即可以将该入射波转换为其他波形。例如，当入射波为衰逝波时，将入射波从波导阵列4中与宽度方向平行的某一边入射时，入射波沿长度方向经过旋转后的波导阵列4后，在波导阵列4中与宽度方向平行的另一边获取到可以在空间中自由传播的平面波。

在本实施例中，因为每一条波导通道3都满足法布里-珀罗共振条件，所以目标角度为第一角度的第二波导通道和目标角度为第二角度的第三波导通道之间的相位差相差π，而其他材料不具备这样的特性，需要调试参数才能获得需要的相位，即满足法布里-珀罗共振条件的波导通道具有相位锁定的优点，只需要获取法布里-珀罗共振透射峰所对应的旋转角度和相位周期宽度即可确定每个椭圆形结构对应的旋转角度，无需其他复杂的计算、材料参数标定或相位调整等步骤，可以简单快速的确定对应的目标角度，并且可以达到波前变换预期效果。

实施例四

本实施例提供一种基于超材料波导阵列的入射波调控装置，用于实现实施例一、二或三中所述的一种基于超材料波导阵列的入射波调控方法，如图10所示，所述入射波调控装置10包括：

入射波长获取模块11，用于获取针对入射波的调控需求和所述入射波的入射波长。

波导单元构建模块12，用于根根据所述入射波长构建波导单元，其中，所述波导单元的长度和宽度小于所述入射波长，所述波导单元内设置有可旋转的椭圆形结构，所述波导单元和所述椭圆形结构均由满足诺伊曼边界条件的材料构成。

波导阵列构建模块13，用于根据所述波导单元、所述入射波长和法布里-珀罗共振条件构建波导阵列，其中，所述波导阵列包括多条波导通道，所述波导通道包括多个所述波导单元。

椭圆形结构旋转模块14，根据所述调控需求分别旋转所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构。

入射波调控模块15，使用椭圆形结构旋转后的所述波导阵列对所述入射波进行调控。

在一个实施例中，所述椭圆形结构可绕所述椭圆形结构的中心旋转，且所述椭圆形结构的中心与所述波导单元的中心重合。

在一个实施例中，所述波导单元的长度和宽度相等，所述波导单元的长度和宽度均小于1/5的所述入射波长。

在一个实施例中，所述椭圆形结构旋转模块14还可以包括：

透射峰角度获取单元，用于获取在所述入射波下使所述波导阵列共振的透射峰角度。

透射峰角度旋转单元，用于将所述波导阵列中各所述波导通道中的椭圆形结构均旋转至所述透射峰角度共振角度。

在一个实施例中，所述椭圆形结构旋转模块14还可以包括：

聚焦条件获取单元，用于获取所述调控需求对应的需求焦距，并根据所述需求焦距确定聚焦条件。

第一角度旋转单元，用于当第一波导通道与所述波导阵列中的中心波导通道之间的距离满足所述聚焦条件时，则确定所述第一波导通道的目标角度为第一角度，所述第一波导通道为所述波导通道中的任一条，并将所述第一波导通道中的椭圆形结构均旋转至所述第一角度。

第二角度旋转单元，用于当所述第一波导通道与所述中心波导通道之间的距离不满足所述聚焦条件时，则确定所述第一波导通道的目标角度为第二角度，并将所述第一波导通道中的椭圆形结构均旋转至所述第二角度。

具体地，聚焦条件获取单元，还可以用于利用下述公式确定所述聚焦条件：

其中，round{}为四舍五入近似函数，λ为所述入射波长，f为所述需求焦距。

在一个实施例中，所述椭圆形结构旋转模块14还可以包括：

变换条件确定单元，用于根据所述调控需求确定波前变换对应的变换条件。

第二波导通道确定单元，用于基于所述变换条件确定所述波导阵列中的第二波导通道的目标角度为第一角度的第二波导通道，并确定所述波导阵列中的第三波导通道的目标角度为第二角度的第三波导通道；

第二波导通道旋转单元，用于将所述第二波导通道中的椭圆形结构旋转至所述第一角度，并将所述第三波导通道中的椭圆形结构旋转至所述第二角度。

在一个实施例中，所述入射波调控装置10还可以包括：

透射谱获取模块，用于在所述入射波下旋转第四波导通道中的所有椭圆形结构，并获取所述第四波导通道对应的透射谱和相位特性图，所述第四波导通道为所述波导通道中的任一条。

透射峰角度确定模块，用于根据所述透射谱和所述相位特性图确定所述第四波导通道出现法布里-珀罗共振透射峰时对应的旋转角度；

第一角度确定模块，用于根据所述透射峰角度确定所述第一角度和所述第二角度，所述第一角度对应的法布里-珀罗共振透射峰与所述第二角度对应的法布里-珀罗共振透射峰的相位相差π。

需要说明的是，上述单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本申请方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

如图11所示，本实施例还提供一种终端设备17，包括：至少一个处理器173(图11中仅示出一个)、存储器171以及存储在所述存储器171中并可在所述至少一个处理器173上运行的计算机程序172，所述处理器173执行所述计算机程序172时实现上述任意各个入射波调控方法实施例中的步骤。

所述终端设备17可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。该入射波调控终端设备可包括，但不仅限于，处理器173、存储器171。本领域技术人员可以理解，图11仅仅是终端设备17的举例，并不构成对终端设备17的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。

所称处理器173可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，该处理器173还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器171在一些实施例中可以是所述终端设备17的内部存储单元，例如终端设备17的硬盘或内存。所述存储器171在另一些实施例中也可以是所述入射波调控终端设备17的外部存储设备，例如所述入射波调控终端设备17上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)等。进一步地，所述存储器171还可以既包括所述入射波调控终端设备17的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器171用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(bootloader)、数据以及其他程序等，例如所述计算机程序的程序代码等。所述存储器171还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现可实现上述各个方法实施例中的步骤。

本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在终端设备上运行时，使得终端设备执行时实现可实现上述各个方法实施例中的步骤。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如u盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不可以是电载波信号和电信信号。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。