基于反演对称破缺的双向波束调控超表面及其用途

本发明属于电磁波与新型人工电磁材料领域，具体涉及基于反演对称破缺的双向波束调控超表面及其用途。

背景技术：

1、2011年，capasso等人提出了广义斯涅尔定律，理论上解释了当在超材料表面引入不连续相位时，会发生异常反射和异常折射现象。随后，其他研究小组根据广义斯涅尔定律，在二维超表面上设计更为复杂的相位分布，从而实现对反射波和折射波的任意控制，例如涡旋波束和贝塞尔波束等。甚至可以设计随机的相位分布，使得入射波束被随机散射到各个方向，形成漫反射，从而有效减小目标雷达散射截面积，实现隐身。更多广泛的应用已经被证明，如天线罩，超构透镜，波片和全息成像等。精心设计的微结构超表面为控制光提供了前所未有的方案，具有广阔的未来前景。

2、超表面能够实现这些不同功能是因为与传统自然界材料相比，超表面表现出更加优越的性能，通过设计单元结构能够实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方向、传播模式等特性的调控。

3、然而，在多功能超表面的设计中，还有一个重要的波特性很少被利用，即传播方向。目前主要是通过使用外加偏置、非线性材料、时变材料打破时间反转对称等方式来实现对传播方向这一特性的利用，这对材料的性质、外加偏置、入射波的特性等因素提出了要求。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有实现双向波束调控的超表面材料要求高，需要外加偏置，对入射波有要求等不利于集成的问题，本发明提出了基于反演对称破缺的双向波束调控超表面，可以实现双向波束偏转、焦距和全息成像等功能。

2、技术方案：

3、为实现上述发明目的，本发明提供了的第一种技术方案为基于反演对称破缺的双向波束调控超表面单元，包括：圆柱、金属薄膜圆盘和十字形横梁；所述金属薄膜圆盘位于所述圆柱的正面；所述十字形横梁位于超表面单元结构之间，起到固定作用。

4、进一步的，所述圆柱为硅圆柱，高度100微米；所述金属薄膜圆盘为金薄膜圆盘，厚度200纳米；所述十字形横梁梁宽10微米。

5、本发明提供的第二种技术方案为基于反演对称破缺的双向波束调控超表面，包括同相单元结构和异相单元结构；所述双同相单元结构在正向和反向垂直入射电磁波的照射下呈现相同的反射相位，所述异相单元结构在正向和反向垂直入射电磁波的照射下呈现不同的反射相位；所述同相单元结构包括四种结构，其在正向和反向垂直入射电磁波的照射下呈现的反射相位分别为0度/0度、90度/90度、180度/180度和270度/270度；所述异相单元结构包括12种结构，其在正向和反向垂直入射电磁波的照射下呈现的反射相位分别为0度、90度、180度和270度中任意两种不同反射相位的组合。所述同相单元结构和异相单元结构为有不同圆柱和金属薄膜圆盘的半径的超表面单元；4种所述同相单元结构中的金属薄膜圆盘位于圆柱正面；12种所述异相单元结构中的6种结构金属薄膜圆盘位于圆柱正面，另外6种结构金属薄膜圆盘位于圆柱反面；所述由同一单元组成的超表面的圆柱半径变化且圆柱阵列一侧的金属薄膜层圆盘半径不变时，金属薄膜层一侧垂直入射电磁波的反射相位发生明显的变化且反向垂直入射电磁波的反射相位基本不发生变化；所述由同一单元组成的超表面的金属薄膜圆盘半径变化且圆柱半径不变时，金属薄膜圆盘一侧垂直入射电磁波的反射相位基本不变且反向垂直入射电磁波的反射相位发生明显的变化。

6、本发明提供的第三种技术方案为基于反演对称破缺的双向波束调控超表面的用途，通过所述同相单元结构和异相单元结构的排布，实现不同单元结构对电磁波反射相位不同的调控，从而实现所述双向波束调控超表面能够在双向独立波束偏转、波束聚焦和全息成像中应用。

7、有益效果：相比于具有反演对称的电磁超材料，本发明将为电磁波操控开辟新的可能性，具体表现在本发明能够在更改入射波入射方向时对电磁波具有不同的独立调控；通过调整超表面单元的结构参数，能够实现每个单元对正面、反面入射电磁波的独立数字态编码，从而实现双向独立的波束调控，如波束偏转、聚焦、全息成像等。

技术特征：

1.基于反演对称破缺的双向波束调控超表面单元，其特征在于，包括：圆柱、金属薄膜圆盘和十字形横梁；所述金薄膜圆盘位于所述圆柱的正面；所述十字形横梁位于超表面单元结构之间，起到固定作用。

2.根据权利要求1所述的基于反演对称破缺的双向波束调控超表面单元，其特征在于：所述圆柱为硅圆柱，高度100微米；所述金属薄膜圆盘为金薄膜圆盘，厚度200纳米；所述十字形横梁梁宽10微米。

3.基于反演对称破缺的双向波束调控超表面，其特征在于，包括多个呈矩阵排列的超表面单元结构，所述超表面单元结构为权利要求1-2任一项所述的双向波束调控超表面单元。

4.根据权利要求3所述的基于反演对称破缺的双向波束调控超表面，其特征在于：包括同相单元结构和异相单元结构，所述同相单元结构在正向和反向垂直入射电磁波的照射下呈现相同的反射相位，所述异相单元结构在正向和反向垂直入射电磁波的照射下呈现不同的反射相位；所述同相单元结构包括4种结构，其在正向和反向垂直入射电磁波的照射下呈现的反射相位分别为0度/0度、90度/90度、180度/180度和270度/270度；所述异相单元结构包括12种结构，其在正向和反向垂直入射电磁波的照射下呈现的反射相位分别为0度、90度、180度和270度中任意两种不同反射相位的组合；其中，反射相位0度、90度、180度、270度分别对应于2-比特电磁编码00、01、10、11。

5.根据权利要求4所述的基于反演对称破缺的双向波束调控超表面，其特征在于：所述同相单元结构和异相单元结构为有不同圆柱和金属薄膜圆盘的半径的超表面单元。

6.根据权利要求4所述的基于反演对称破缺的双向波束调控超表面，其特征在于：4种所述同相单元结构中的金属薄膜圆盘位于圆柱正面；12种所述异相单元结构中的6种结构金属薄膜圆盘位于圆柱正面，另外6种结构金属薄膜圆盘位于圆柱反面。

7.根据权利要求3所述的基于反演对称破缺的双向波束调控超表面，其特征在于：所述由同一单元组成的超表面的圆柱半径变化且圆柱阵列一侧的金属薄膜层圆盘半径不变时，金属薄膜层一侧垂直入射电磁波的反射相位发生明显的变化且反向垂直入射电磁波的反射相位基本不发生变化；所述由同一单元组成的超表面的金属薄膜圆盘半径变化且圆柱半径不变时，金属薄膜圆盘一侧垂直入射电磁波的反射相位基本不变且反向垂直入射电磁波的反射相位发生明显的变化。

8.根据权利要求4-7任一项所述的基于反演对称破缺的双向波束调控超表面的用途，其特征在于，通过所述同相单元结构和异相单元结构的排布，实现不同单元结构对电磁波反射相位不同的调控，从而实现所述双向波束调控超表面能够在双向独立波束偏转、波束聚焦和全息成像中应用。

技术总结
本发明公开了基于反演对称破缺的双向波束调控超表面单元结构与超表面及应用，基于反演对称破缺的双向波束调控超表面单元包括圆柱、金属薄膜圆盘，所述的金属薄膜圆盘位于圆柱一侧，超表面单元结构之间还有十字横梁连接，起到固定作用。基于反演对称破缺的双向波束调控超表面，包括同相单元结构和异相单元结构，所述同相单元结构和异相单元结构按照预定的规则纵横分布，使其在正向入射和反向入射时对电磁波具有不同的相位响应。本发明具有自由灵活、多功能的特点，具体表现在本发明能够对正向和反向入射的电磁波具有不同的调控功能。

技术研发人员：范克彬,龚平警,朱凤婕,吴敬波,张彩虹,金飚兵,陈健
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17