[发明专利]一种多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料

说明书

本发明公开了一种多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料,由多层堆叠结构的超材料单元构成。超材料单元由五层金属和四层介质交替排布而成。特殊的结构设计使单元具有各向异性和非对称特性，在不同入射方向的x和y极化电磁波照射下呈现不同透射和反射相位，分别独立控制反射和透射波前，实现对电磁波的全空间调控。在沿±z方向的x极化入射波照射下，其工作于透射模式来调控透射波前；而在沿±z方向的y极化入射波照射下，其工作于反射模式，可以独立控制两侧的反射波前。通过改变入射波的极化和方向，一块编码超材料可以用于实现三个不同的功能，如波束偏折、漫散射、涡旋波生成。本发明结构简单、易于加工，可以用于设计各种高性能器件。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料。

背景技术

新型人工电磁材料，亦称电磁超材料(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期/非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。在过去的20年里，电磁超材料发展迅速，产生了很多有趣的物理现象和新型器件。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。近些年来，为了减少三维超材料的厚度及构造复杂性，单层平面结构的超表面(Metasurfaces)也广泛地用于调控电磁波。

崔铁军教授课题组在2014年提出了数字编码和可编程超材料的概念，采用数字编码的方式实现对电磁波的实时调控，区别于基于等效媒质理论的传统超材料。例如，1比特编码超材料是两个数字单元“0”和“1”(分别对应0和π的相位响应)按照一定的编码序列构成；而2比特编码超材料是由四个数字单元“00”、“01”、“10”和“11”(分别对应0，π/2,π和3π/2的相位响应)。这种超材料可以通过设计编码序列来实现对电磁波的调控。此外，在单元上加载有源可调器件，结合FPGA等控制电路可以实现功能实时可切换的可编程超材料。(参考文献[1]：T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.Zhao,and Q.Cheng,Coding metamaterials,digitalmetamaterials and programmable metamaterials,Light-Science&Applications,vol.3,p.e218,Oct 2014.)

随着现代集成系统的快速发展，多功能器件和设备在很多应用场合都有需求。可重构或可编程设计的有源超表面可以动态地调控电磁波，在多种不同的功能之间切换。然而有源的设计通常需要复杂的控制电路，提高了系统成本和损耗。因此，一些通过改变入射波极化、旋性和频率的双功能设计可以在用单一的无源超表面实现两种不同的功能。此外，传统的编码超材料都是工作于反射模式或者透射模式，不能同时对反射和透射波前进行调控。

发明内容

发明目的：本发明目的在于解决现有无源超材料实现多功能的限制的问题，通过设计各向异性和非对称的超材料单元，可以同时调控反射和透射波前。改变入射波的极化和方向，一块编码超材料在相同的工作频点可以实现三种不同的功能，为设计高效率多功能器件提供了很好的方案。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料，由多层堆叠结构的超材料单元构成；所述的超材料单元由五层金属结构和四层微波介质板交替排布而成。

进一步地，超材料单元在不同入射方向的x极化和y极化电磁波照射下呈现不同透射和反射相位响应，分别独立控制反射和透射波前，实现对电磁波的全空间调控。

进一步地，在沿±z方向传播的x极化入射波照射下，超材料工作于透射模式来调控透射波前；而在沿±z方向传播的y极化入射波照射下，超材料工作于反射模式，可以独立控制两侧的反射波前。

进一步地，超材料单元包含五层金属结构，从上往下第三层金属结构为开槽金属地层，其余金属结构为十字形金属层，相邻的金属结构分别由介质板隔开。