【2020】【论文笔记】超表面：多功能和可编程——

前言

类型
$太赫兹+超表面$
期刊
$frontiersinPhysics$
作者
$HanWeiTian,HaiYangShen,XinGeZhang,XinLi,WeiXiangJiang,TieJunCui$
时间
$2020$

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研究目的

超表面

由具有不同电磁响应的预先安排的人工单元组成，提供多功能的波操作

超表面是三维超材料在二维几何形状中的演变，保留了实现复杂电磁波操作的优势（这些操作难以利用传统工艺实现），弥补了超材料的缺陷（体积大、剖面高、制造困难）

• 超表面优点：超薄轮廓、显著的轻量化、易于制造、可接受的损耗、自由操纵太赫兹波

与有效介质理论下，具有反演的介电常数和磁导率的超材料不同，广义薄层转换条件（GSTC）和广义斯纳尔定律更适合分析和设计超表面

有效介质（近似）理论（EMA或EMT）：
为了研究多孔介质的性质，而假设一种单相介质，其性质与多相介质在宏观平均相同，这种假设的单相介质就称为该多相介质的"有效介质"。
用来描述复合材料宏观性质的分析或理论的模型。此理论将复合材料中各个成分的性质通过平均计算来得出复合材料的性质。由于构成复合材料的各个成分的参数各异且往往不均匀，完全精确的计算几乎是不可能的。因此，有效介质近似理论将复合材料作为一个整体，近似计算出其参数和性质。目前，这种理论已经能够给出可接受的近似值

广义薄层转换条件（GSTCs）：
一种应用于超薄层结构处（电磁场的边界条件）分析的方法。基于狄拉克分布的导数展开形式来表征超薄层结构两侧的不连续性，利用极化率来表示超薄层的结构、电磁参数，从而将“微观”的结构与宏观的极化率联系起来，用等效的方法来描述超薄 层 的 整 体 电 磁 特 性

广义斯纳尔定律（光的折射定律）：
$n_{1}sin{\theta }_1=n_{2}sin{\theta }_2$

通过特征配置下排列人工和亚波长的超表面单元，可以获得非连续相位剖面、任意振幅剖面、所需的表面阻抗分布、自由调制入射电磁波

现在超表面已经在声场、微波、毫米波、光场中实现了许多功能：高效传输、轨道角动量OAM生成、雷达散射截面RCS减小

• 多功能超表面：紧凑，小型化
• 编码超表面：其中电磁响应以数字化位为特征，提供了数字序列和超表面之间的直接连接
• 可编程超表面：是编码超表面的扩展形式。可通过导入数字编码序列来激活可调元件，实现功能的动态切换

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THz

由于THz频段包含大部分生物和化学分子的特征频率，因此可以用THz检测到丰富的生物和材料信息

THz衰减小、穿透力强、高信噪比，适合成像

THz较宽的瞬时带宽促进了高速通信的实现

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无源超表面passive metasurface

无源超表面已经用于波束偏转、波束形成、物体掩蔽、聚焦、吸收、偏振转换
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波束偏转

超表面实现波束偏转：通过周期性蚀刻超表面单元，将外部波矢量应用于透射波或反射波，实现光束偏振

图左
$$n_{t}sin{\theta }_t-n_{i}sin{\theta }_i=\frac{{\lambda }_0}{2\pi }\frac{d\phi }{dx}$$

其中$n_t$是超表面上方介质的折射率，$n_i$是下方介质的折射率，${\lambda }_0$是工作波长，$d\phi /dx$是超表面赋予的相位梯度

图右
$$sin{\theta }_r-sin{\theta }_i=\frac{{\lambda }_0}{2\pi n_i}\frac{d\phi }{dx}$$

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洛伦兹光束

为了获得复杂的电磁模式，要使得相位分布、幅度分布、极化转换比波束偏转更加可变，而不是单调梯度的情况

复杂的电磁模式电磁响应，可以替换光学元件（偏转器、分流器、波片），降低系统复杂性保持适当的成形效果

洛伦兹光束：
洛伦兹-高斯光束的变化？？？
有非衍射特性，使用场景广泛，但是需要多个光学元件来产生

2017年，郭利用十字形单元组成的单层超表面，证明了在THz频谱中圆极化入射下的径向极化洛伦兹光束：

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多功能无源超表面

虽然无源超表面的固定结构，但是功能多路复用还是可以实现

无源超表面可以分为频率复用超表面、极化复用超表面

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极化复用（即偏振复用）的原则

1. PB相位：可以通过选择超表面单元结构来实现。基于PB相位的单元结构不依赖电磁共振，所以能在宽带内保持稳定的相位变化、振幅响应
2. 各向异性：除了PB相位的极化选择性外，基于各向异性的超表面结构依赖于极化无关性，为了实现多种功能，需要有极化无关响应的各向异性单元结构

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有源超表面active metasurface

功能可调

在微波频率下，PIN二极管、变容二极管和三极管被广泛采用，以在不同的偏置信号下提供可选响应，而在太赫兹频谱中，由于电尺寸小，很难获得封装半导体，复杂的寄生效应是一个巨大的挑战

可以用作设计THz超表面的材料：

• 掺杂半导体
• 二氧化钒$V{O}_2$
• 液晶LC
• 透明导电氧化物TCO
• 石墨烯
• 二维电子气2DEG
• 卤化物钙钛矿
• 量子点（把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。有时被称为“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子点原子”）
• 超导体

激励手段：

• 励磁方式
• 热环境
• 光泵

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动态功能多路复用

在太赫兹和光谱中，微小的尺寸和不成熟的技术导致功能复用面临巨大困难

略

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编码超表面Coding metasurface和可编程超表面Programmable metasurface

编码超表面

2014年出现了两个超材料数字表征的概念

Giovampaola和Engheta提出数字超材料：
包含表征两个不同介电常数函数的“超材料位”和由超材料位的空间混合赋予的“超材料字节”的定义

Cui提出的编码、数字和可编程超材料：
将相位响应数字化，而不是有效参数。例如，对于1bit 的情况，相位响应0和π标记为编码状态0和1，对于2bit 的情况，四个编码状态为00,01,10，11分别对应0，0.5π，π，1.5π

后者具体来说，

由正入射照明的$N\times M$编码超表面的折射或反射的远场函数，可以表示为
$$\begin{gathered} f(\theta ,\phi )=f_u(\theta ,\phi )\sum _{m=1}^N\sum _{n=1}^{M}exp\{-i\{\phi (m,n)+ \\ kPsin\theta [(m-0.5)cos\phi +(n-0.5)sin\phi ]\}\} \end{gathered}$$
其中$\theta$是仰角，$\phi$是方位角，$k$是波数，$f_u(\theta ,\phi )$是每个超表面单元的远场函数

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方向性表示为

$$D(\theta ,\phi )=4\pi |f(\theta ,\phi ){|}^2/{\int }_0^{2\pi }{\int }_0^{\pi /2}|f(\theta ,\phi ){|}^{2}sin\theta d\theta d\phi$$

与数字超材料相比，编码概念更适合简化基于突变电磁响应的超表面设计

在太赫兹频谱中，编码方法已被用于实现不受干扰的电磁操作，并简化超表面设计

将环形单元视为1，空白单元视为0可以构造一个1bit 编码超表面
在同一时期，提出了一种新的编码单元蚀刻闭合闵可夫斯基环，用于设计基于几何调整的1位、2位和3位编码超表面

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可编程超表面

可编程超表面是编码超表面的有源形式，需要灵活的单元来实时实现状态转换

通过输入预存储的编码序列，特定位置的单位单元表现出局部EM电磁响应，并且可以及时生成全局EM电磁响应以进行波处理

Cui 提出了第一个微波可编程超表面，并引入了现场可编程门阵列（FPGA），通过连接到每个单元的引脚提供不同的偏置电压。将多个编码序列输入FPGA，输出电压序列驱动EM响应的转换，从而生成不同的散射图案

在太赫兹频谱中，对可编程超表面的研究较少，这归因于不仅难以实现单位电池的可调谐性、难以连接复杂的偏置线

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结论

该论文介绍的无源超表面的多功能性，通过频率复用、偏振复用实现。
虽然无源超表面在调节多种功能方面有高度的自由度，但是固定原型使得可调节变得不可能
具有有源功能、多路复用的有源超表面，即可提供高级性能，也能有高集成度

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问题

涡旋波束用什么产生？
OAM的宏观表现为电磁波的涡旋现象，具体为波束在垂直于传播方向上的平面内具有螺旋形的相位特征。而OAM具有无穷多个模态，且各模态间相互正交，为涡旋波的通信及探测提供了天然的条件。理论上，涡旋波可以无限的提升通信容量

OAM可以用自相似的分形天线产生

什么是轨道角动量OAM？
一个光子，可以拥有两种动量，线动量和角动量。而角动量分为两种，自旋角动量和轨道角动量OAM。

法拉第旋转效应：在磁化等离子体中，两圆极化波相速不同，一段距离后，合成波极化面以前进方向为轴不断旋转

闵可夫斯基环是什么？
一种天线结构

超材料具有反演的介电常数和磁导率是什么意思？
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