可编程超表面任意旋转偏振方向并以线性和非线性方式操控相位

独立控制电磁（EM）波的各种特性在许多应用中至关重要。可编程超表面是一种很有前景的平台，用于操控电磁波。在此，我们提出一种方法，利用堆叠的可编程超表面，可以任意地以线性和非线性方式控制反射波的偏振方向和相位。此外，我们将时空编码理论扩展到包含偏振维度，为操控电磁波提供了额外的自由度。作为原理验证的应用示例，我们考虑了线性和非线性频率下的偏振旋转、相位操控和波束控制。为了验证，我们设计、制造并测量了一个超表面样品。实验结果与理论预测和模拟结果吻合良好。所提出的方法在成像、数据存储和无线通信等多个领域有广泛的应用前景。

分析

1.背景知识

电磁波是一种在现代科技中无处不在的现象，从手机信号到卫星通信，从医学成像到雷达系统，都离不开电磁波的应用。电磁波有两个重要的特性：偏振和相位。偏振决定了电磁波的振动方向，而相位则影响电磁波的传播方式和相互作用。

2.研究方法

可编程超表面：这是一种新型的材料，通过在表面设计特殊的结构，可以精确地控制电磁波的传播。这些结构可以被编程，从而实现动态调整电磁波的特性。

堆叠结构：研究者们采用了堆叠的可编程超表面，这意味着多个超表面层叠在一起，每一层都可以独立控制电磁波。这种设计增加了操控的灵活性和精度。

时空编码理论的扩展：时空编码是一种在通信中常用的技术，通过在时间和空间上对信号进行编码来提高传输效率和抗干扰能力。研究者们将这一理论扩展到偏振维度，这意味着他们不仅可以在时间和空间上操控电磁波，还可以通过改变偏振方向来进一步优化操控效果。

3.实验验证

设计与制造：研究者们设计并制造了一个超表面样品，这个样品能够实现他们提出的操控方法。

测量与结果：通过实验测量，他们发现实验结果与理论预测和计算机模拟的结果非常一致。这表明他们的方法是有效的，能够精确地控制电磁波的偏振和相位。

4.关键结论与应用前景

任意控制：这种方法可以任意地控制电磁波的偏振方向和相位，无论是线性还是非线性方式。这意味着可以根据具体的应用需求，灵活地调整电磁波的特性。

多维度操控：通过引入偏振维度，增加了操控电磁波的自由度。这在复杂的电磁环境中尤为重要，可以实现更精确的信号处理和传输。

广泛的应用前景：这种技术在多个领域都有潜在的应用价值。例如，在成像技术中，可以提高图像的分辨率和对比度；在数据存储中，可以增加存储密度；在无线通信中，可以提高信号的传输效率和抗干扰能力。

提出设计的概念性示意图。反射波的偏振方向、波束控制和频率由STPC矩阵控制。

 

1.图示内容

该图展示了一种新型的可编程超表面设计，用于控制电磁波的偏振方向、波束控制和频率。图中包括以下几个关键部分：入射波：具有载波频率fc的电磁波入射到超表面上。反射波：从超表面反射的电磁波，其频率被调制为fc+kf0，其中k是调制系数，f0是基频。

可调偏振：反射波的偏振方向可以通过超表面进行任意调整。

STPC矩阵：空间-时间-偏振-相位控制矩阵，用于动态控制反射波的偏振方向、波束控制和频率。

2.工作原理

超表面结构：超表面由周期性排列的单元结构组成，这些单元结构可以响应外部控制信号（如来自FPGA的信号）来改变其电磁特性。

动态控制：通过改变STPC矩阵中的控制信号，可以实时调整超表面的电磁特性，从而控制反射波的偏振方向、波束控制和频率。

多维度操控：STPC矩阵提供了一个多维度的控制平台，可以在空间、时间和偏振等多个维度上对电磁波进行精确操控。

3.关键优势

灵活性：该设计允许对反射波的偏振方向、波束控制和频率进行任意调整，提供了极高的灵活性。

实时性：通过动态调整STPC矩阵中的控制信号，可以实现对电磁波的实时控制。

多应用场景：这种可编程超表面技术可以应用于多个领域，如无线通信、成像、数据存储等，具有广泛的应用前景。

4.实验验证

设计、制造和测量：研究者们设计并制造了一个超表面样品，并通过实验测量验证了其性能。实验结果表明，该设计能够有效地控制反射波的偏振方向、波束控制和频率，与理论预测和模拟结果一致。

5.总结

这项研究展示了一种新型的可编程超表面设计，通过STPC矩阵实现了对电磁波的多维度控制。这种设计具有高度的灵活性和实时性，可以在多个应用场景中发挥作用。随着进一步的研究和优化，这种技术有望在电磁波操控领域带来革命性的进步。

堆叠可编程超表面的设计。a RPM结构的单元，(b) RPM单元的顶部和(c)底部金属包层。d AR结构的单元。e 堆叠可编程超表面的示意图。尺寸为 d=20mm，a=8.8mm，b=12.45mm，h1=6mm，h2=2.5mm，h3=2mm，c1=7mm，c2=5.5mm，c3=5.69mm，c4=16mm，s1=0.6mm，s2=0.9mm，d1=6.3mm，d2=2.9mm，w=0.8mm，和h4=5mm。 

1.图示内容

图2展示了一种堆叠可编程超表面的设计，它由两个主要部分组成：RPM（可重构相位调制）单元和AR（吸收反射）单元。这些单元通过精确设计的金属结构和可调元件（如变容二极管）来控制电磁波的反射特性。

图a：显示了RPM结构的基本单元，包括一个变容二极管和一个电感器。变容二极管是一种可调电容元件，其电容值可以通过改变施加的电压来调整。

图b和c：展示了RPM单元的顶部和底部金属包层，这些金属层用于形成电容和电感，从而控制电磁波的相位。

图d：显示了AR结构的单元，它可能包含不同的金属结构，用于吸收或反射电磁波。

图e：提供了堆叠可编程超表面的示意图，展示了RPM和AR单元如何堆叠在一起，形成一个可以动态控制电磁波反射特性的超表面。

2.工作原理

可编程控制：通过改变施加在变容二极管上的电压，可以动态调整其电容值，从而改变电磁波的相位。这种可编程性使得超表面能够响应外部控制信号，实现对电磁波的精确控制。

堆叠结构：将RPM和AR单元堆叠在一起，可以同时控制电磁波的相位和幅度，从而实现更复杂的波形操控。

多维度操控：通过精确设计每个单元的结构和尺寸，可以在多个维度上（如空间、时间和频率）对电磁波进行操控。

3.关键优势

灵活性：这种设计允许对电磁波的反射特性进行精确和动态的控制，适用于多种应用场景。

高效性：通过堆叠结构，可以在较小的空间内实现复杂的电磁波操控，提高系统的集成度和效率。

多应用场景：这种可编程超表面技术可以应用于无线通信、雷达系统、成像技术等多个领域，具有广泛的应用前景。

4.总结

图2展示的堆叠可编程超表面设计，通过结合RPM和AR单元，实现了对电磁波反射特性的精确控制。这种设计不仅具有高度的灵活性和高效性，而且适用于多种应用场景，为电磁波操控领域提供了一种新的解决方案。随着进一步的研究和优化，这种技术有望在电磁波应用中发挥重要作用。

 

RPM和AR结构在y极化波激励下的模拟结果。模拟的RPM结构的反射（a）幅度和（b）相位。模拟的AR结构的传输（c）幅度和（d）相位。由于RPM和AR结构的对称性，仅展示了y极化波激励下的模拟结果。 

1.图示内容

图3展示了在y极化波激励下，RPM（可重构相位调制）结构和AR（吸收反射）结构的模拟结果。图中包括四个子图：

图a：显示了RPM结构在不同电压（0 V、3 V、7 V、11 V、16 V、30 V）下的反射幅度随频率的变化。

图b：显示了RPM结构在不同电压下的反射相位随频率的变化。

图c：显示了AR结构在y极化波激励下的传输幅度随频率的变化。

图d：显示了AR结构在y极化波激励下的传输相位随频率的变化。

2.工作原理

反射和传输特性：RPM和AR结构通过改变施加的电压来调节其电磁特性，从而影响反射和传输的幅度和相位。

频率响应：图中展示了在不同频率（2.5 GHz到4.5 GHz）下，RPM和AR结构的反射和传输特性如何随电压变化。

对称性：由于RPM和AR结构的对称性，仅展示了y极化波激励下的模拟结果。

3.关键优势

可调性：通过改变施加的电压，可以动态调整RPM和AR结构的电磁特性，实现对反射和传输特性的精确控制。

宽频带：图中显示了在较宽的频率范围内（2.5 GHz到4.5 GHz），RPM和AR结构都具有良好的反射和传输特性。

对称性简化：由于结构的对称性，可以简化模拟和分析过程，仅需要考虑y极化波激励下的结果。

4.总结

图3展示了在y极化波激励下，RPM和AR结构的反射和传输特性随电压和频率的变化。通过改变施加的电压，可以动态调整这些结构的电磁特性，实现对反射和传输特性的精确控制。

不同相位组合的模拟和测量结果。a 制造的超表面样品的照片。b 消声室中的实验设置和环境。在y极化波激励下，(c-f) 分别为电压控制的x/y方向相位组合0°/0°,0°/90°,0°/180°和90°/0°的模拟和测量的幅度（上面板）、相位差（∠Γyy-∠Γxy）（中间面板）和偏振方向（下面板），其中实线和虚线分别表示模拟和测量结果。

1.图示内容

图4展示了一个超表面样品在不同相位组合下的模拟和测量结果。这个超表面可以通过电压控制来改变电磁波的反射特性，包括幅度、相位和偏振方向。

图a：显示了制造的超表面样品的照片，可以看到样品的正面视图，包括AR（吸收反射）和RPM（可重构相位调制）结构。

图b：展示了实验设置和环境，包括样品、双极化天线、控制平台和矢量网络分析仪（VNA），所有这些都放置在消声室中以减少外界干扰。

图c-f：分别展示了在y极化波激励下，不同相位组合（0°/0°,0°/90°,0°/180°和90°/0°）的模拟和测量结果，包括反射幅度、相位差和偏振方向。

2.工作原理

电压控制：通过改变施加在超表面上的电压，可以动态调整其电磁特性，从而控制反射波的幅度、相位和偏振方向。

相位组合：图中展示了四种不同的相位组合，每种组合都对应于特定的电压设置，从而实现对电磁波的精确控制。

模拟与测量：通过比较模拟和测量结果，可以验证超表面设计的有效性和准确性。

3.关键优势

精确控制：这种设计允许对电磁波的反射特性进行精确控制，包括幅度、相位和偏振方向。

动态调整：通过电压控制，可以实现对电磁波特性的动态调整，适用于多种应用场景。

验证实验：通过实验验证，可以确保设计的超表面在实际应用中的性能和可靠性。

4.总结

图4展示了一个超表面样品在不同相位组合下的模拟和测量结果。通过电压控制，可以精确控制电磁波的反射特性，包括幅度、相位和偏振方向。这种设计不仅具有高度的灵活性和精确性，而且通过实验验证了其有效性和可靠性。

在y极化波激励下对0°和90°偏振反射波的相位操控。模拟和测量了0°偏振反射波的(a)幅度和(b)相位，在相位组合为0°/0°、90°/90°、180°/180°和270°/270°的情况下。模拟和测量了90°偏振反射波的(c)幅度和(d)相位，在相位组合为180°/0°、270°/90°、0°/180°和90°/270°的情况下。实线和虚线分别表示模拟和测量结果。 

1.图示内容

图5展示了在y极化波激励下，0°和90°偏振反射波的相位操控的模拟和测量结果。图中包括四个子图：

图a：显示了0°偏振反射波在不同相位组合（0°/0°、90°/90°、180°/180°、270°/270°）下的模拟和测量的反射幅度。

图b：显示了0°偏振反射波在相同相位组合下的模拟和测量的反射相位。

图c：显示了90°偏振反射波在不同相位组合（180°/0°、270°/90°、0°/180°、90°/270°）下的模拟和测量的反射幅度。

图d：显示了90°偏振反射波在相同相位组合下的模拟和测量的反射相位。

2.工作原理

相位操控：通过改变超表面的相位组合，可以动态调整反射波的相位，从而实现对电磁波的精确控制。

偏振控制：图中展示了0°和90°偏振反射波的相位操控，这表明超表面可以独立控制不同偏振方向的电磁波。

模拟与测量：通过比较模拟和测量结果，可以验证超表面设计的有效性和准确性。

3.关键优势

精确控制：这种设计允许对电磁波的反射特性进行精确控制，包括幅度、相位和偏振方向。

动态调整：通过电压控制，可以实现对电磁波特性的动态调整，适用于多种应用场景。

验证实验：通过实验验证，可以确保设计的超表面在实际应用中的性能和可靠性。

4.总结

图5展示了在y极化波激励下，0°和90°偏振反射波的相位操控的模拟和测量结果。通过改变超表面的相位组合，可以精确控制电磁波的反射特性，包括幅度、相位和偏振方向。

在y极化波激励下的归一化远场散射模式。模拟的归一化3D散射模式为 (a) 0°，(b) 45°，(c) 90°偏振反射在3.5 GHz。模拟和测量的归一化2D散射模式为 (d) 0°，(e) 45°，(f) 90°偏振反射在3.5 GHz。偏振是在与波束传播方向正交的平面内定义的。实线和虚线分别表示模拟和测量结果。 

1.图示内容

图6展示了在y极化波激励下，不同偏振角度（0°、45°、90°）的归一化远场散射模式。这些模式描述了电磁波在遇到特定结构后如何散射。

图a-c：展示了在3.5 GHz频率下，0°、45°和90°偏振反射的模拟3D散射模式。这些模式显示了电磁波在不同偏振状态下的散射特性。

图d-f：展示了在3.5 GHz频率下，0°、45°和90°偏振反射的模拟和测量的2D散射模式。这些模式提供了电磁波在特定偏振状态下的散射强度分布。

2.工作原理

偏振控制：通过设计特定的超表面结构，可以控制电磁波的偏振状态，从而影响其散射特性。

远场散射模式：这些模式描述了电磁波在远离散射体的地方的行为，对于理解电磁波与物质的相互作用非常重要。

模拟与测量：通过比较模拟和测量结果，可以验证设计的超表面结构的有效性和准确性。

3.关键优势

精确控制：这种设计允许对电磁波的散射特性进行精确控制，包括散射强度和方向。

多偏振状态：图中展示了0°、45°和90°偏振反射的散射模式，表明超表面可以独立控制不同偏振方向的电磁波。

验证实验：通过实验验证，可以确保设计的超表面在实际应用中的性能和可靠性。

4.总结

图6展示了在y极化波激励下，不同偏振角度的归一化远场散射模式。通过设计特定的超表面结构，可以精确控制电磁波的散射特性，包括散射强度和方向。

 

 TPC序列和谐波的频谱强度。TPC序列的长度是 L=4，调制频率是 f0=100kHz。实线和虚线分别表示模拟和测量结果。

1.图示内容

图7展示了在不同偏振角度（0°、45°、90°）下，可编程超表面的TPC（时间相位控制）序列和相应的谐波频谱强度。

上图（a-c）：展示了在不同偏振角度下的时间序列，这些序列控制了反射波的相位变化。

中间图（a-c）：展示了相位差随时间的变化。

下图（a-c）：展示了理论和测量的谐波频谱强度，这些谐波是由TPC序列产生的。

2.工作原理

时间相位控制（TPC）：通过精确控制超表面的相位变化，可以产生特定的谐波频谱，这对于信号处理和通信系统非常重要。

谐波产生：TPC序列可以产生一系列谐波，这些谐波的强度和频率可以通过调整TPC序列来控制。

模拟与测量：通过比较模拟和测量结果，可以验证TPC序列设计的有效性和准确性。

3.关键优势

精确控制：这种设计允许对谐波的产生进行精确控制，包括谐波的频率和强度。

多偏振状态：图中展示了0°、45°和90°偏振反射的谐波产生，表明超表面可以独立控制不同偏振方向的电磁波。

二维STPC矩阵和测量的归一化远场散射模式。尺寸为16×4的二维STPC矩阵能够生成(a) 0°，(b) 45°，和(c) 90°偏振反射波，其中不同颜色的块代表不同的相位编码。测量的归一化远场散射模式为(d) 0°，(e) 45°，和(f) 90°偏振反射波在0阶、+1阶和-3阶谐波。偏振在与波束传播方向正交的平面内定义。 

1.图示内容

图8展示了用于生成不同偏振状态反射波的二维空间-时间-相位控制（STPC）矩阵，以及这些波在远场的归一化散射模式。

图a-c：这些图显示了STPC矩阵，它们由16×4的编码元素组成。每个矩阵使用不同颜色的块来表示不同的相位编码，这些编码用于生成特定偏振角度（0°、45°、90°）的反射波。

图d-f：这些图展示了在0阶、+1阶和-3阶谐波下，对应于0°、45°、90°偏振反射波的测量归一化远场散射模式。这些模式描述了电磁波在远场的分布情况。

2.工作原理

STPC矩阵：STPC矩阵通过控制每个编码元素的相位来影响电磁波的反射特性。不同的相位编码可以产生不同偏振状态的反射波。

偏振控制：通过调整STPC矩阵，可以精确控制电磁波的偏振状态，这对于许多应用（如通信和成像）至关重要。

谐波产生：STPC矩阵不仅影响基波的反射，还可以产生特定阶数的谐波，这些谐波在远场的分布可以通过测量得到。

3.关键优势

精确的偏振控制：STPC矩阵提供了一种精确控制电磁波偏振状态的方法，这对于提高通信系统的性能和成像质量非常重要。

多谐波产生：通过单一的STPC矩阵设计，可以同时产生和控制多个谐波，这增加了系统的灵活性和功能性。

实验验证：通过测量远场散射模式，可以验证STPC矩阵设计的有效性，确保其在实际应用中的性能。

4.总结

图8展示了通过二维STPC矩阵控制电磁波偏振状态和产生谐波的能力。这种技术不仅能够精确控制电磁波的偏振，还能产生和控制谐波，这对于无线通信、雷达系统和成像技术等领域具有重要的应用价值。随着进一步的研究和开发，STPC矩阵技术有望在电磁波操控领域发挥更大的作用。

提出了一种可以线性和非线性地任意操控反射波偏振方向和相位的方法。作为原理验证，设计了一种堆叠可编程超表面，并进行了仿真和测量。通过分别调制x和y方向上变容二极管的控制电压，我们在线性和非线性频率下实现了覆盖整个方位角的高偏振旋转范围以及可调相位。此外，将STC（空间-时间编码）理论整合到我们的设计中，便于在线性和非线性频率下同时操控偏振状态和波束控制。实验结果与理论预测和仿真结果一致，验证了我们提出方法的可行性。我们的方法为电磁波的多维操控开辟了新途径。尽管设计的可编程超表面在微波波段工作，但所提出的概念可以扩展到太赫兹甚至光学领域，在雷达、成像和无线通信中具有潜在的应用前景。

1.关键概念

偏振操控：偏振是电磁波的一个重要特性，它决定了波的振动方向。在许多应用中，如通信和成像，精确控制偏振是至关重要的。

相位操控：相位是电磁波的另一个关键特性，它影响波的传播和干涉。通过操控相位，可以控制波的传播方向和聚焦特性。

线性与非线性操控：线性操控意味着输入和输出之间的关系是直接成比例的，而非线性操控则涉及更复杂的关系，可以用于实现更高级的波形控制。

2.技术实现

堆叠可编程超表面：这种超表面由多层材料组成，每层都可以独立控制电磁波的特性。通过编程控制，可以实现对电磁波的动态调整。

变容二极管：这是一种电子元件，其电容值可以通过改变施加的电压来调整。在超表面中，变容二极管用于动态调整电磁波的相位和偏振。

空间-时间编码（STC）理论：这是一种先进的信号处理技术，可以同时操控电磁波的多个维度，如空间位置、时间和偏振状态。

3.应用前景

多维操控：通过这种技术，可以在多个维度上同时操控电磁波，如偏振、相位、频率和波束方向，这对于提高通信系统的性能和成像质量非常重要。

频率扩展：尽管目前的实现是在微波波段，但这种方法的概念可以扩展到更高的频率范围，如太赫兹和光学波段，这将开启新的应用领域。

4.总结

这项研究提出了一种创新的方法，可以在多个维度上精确控制电磁波的特性。通过使用堆叠可编程超表面和空间-时间编码理论，实现了对电磁波偏振和相位的任意操控。这种方法不仅在理论上具有创新性，而且在实验中也得到了验证，展示了其在实际应用中的潜力。随着技术的进一步发展，这种方法有望在雷达、成像和无线通信等领域发挥重要作用。

Arbitrarily rotating polarization direction and manipulating phases in linear and nonlinear ways using programmable metasurface | Light: Science & Applications