一种双极化1-bit相位调控智能超表面

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)作为第六代移动通信系统的核心技术之一,能够以可编程的方式对空间电磁波实时调控,打破了传统信道不可控的桎梏,重构无线传输环境。在实际应用场景中,应当考虑RIS的极化特性以及斜入射特性。设计了一种双极化1-bit相位调控超表面单元,其上加载两个二极管,用于独立控制两个极化方向上的相位响应。仿真验证了该单元在两个极化方向下的1-bit相位调控能力及电磁波斜入射下的1-bit相位调控能力。将所设计的单元排列成规模为10×10的阵列,并验证了其波束调控能力。结果表明,该RIS可以为下一代移动通信系统的发展提供有效的技术指导与支持。

一种双频段可切换3-Bit相位调控智能超表面

随着6G技术的快速发展,传统大规模阵列技术成本高、功耗大、复杂度高等问题愈发严重。而智能超表面凭借其实时调控空间电磁波幅度、相位、极化、频率以及传播方向的能力,有望实现人为主动重构无线信道的愿景。为了能够提升智能超表面在无线通信中调控电磁波的能力,设计了一种可在两个频段工作的3-Bit相位调控智能超表面。该超表面单元上集成了一个PIN二极管和一个变容管,用以联合控制超表面的工作频段和相位响应。全波仿真结果首先展示了智能超表面单元的相位调控及频率可重构性能,继而在之后验证了其阵面波束调控功能。该款智能超表面有望实现多频段无线信号覆盖增强,重构无线传播环境,为6G技术的发展提供支持。

基于石墨烯超表面天线的太赫兹动态相位调控及波束扫描

太赫兹波频段介于毫米波和红外光之间,具有诸多优异特性,太赫兹天线更是太赫兹通信、雷达和成像等应用系统中的核心元器件。然而,目前报道的太赫兹天线均无法满足较大动态范围的相位扫描、高效率辐射和大偏转角度的需求。该文设计了3种石墨烯太赫兹天线,最小尺寸为5μm,并对其辐射效率和相位调控特性进行研究,进而提出具有双共振模式的石墨烯-金属太赫兹超表面天线,缓解了传统的基于单共振模式的相位动态调控范围和辐射效率之间的矛盾,实现了0~360°的动态相位调控,且辐射效率高于20%。该研究采用微加工工艺进行样品加工,通过改变栅极电压,在实验上获得了1.03 THz的太赫兹动态相位调控,反射率高于23%,与仿真结果基本吻合。在此基础上,该文基于连续相位编码设计了石墨烯超表面相控阵天线,理论上实现了太赫兹波束在-25°~25°范围内的实时波束偏转。该文为解决超表面相控阵天线的相位动态调控范围小、辐射效率低等难题提供了新的研究思路。

液晶相位调控器件的高功率激光应用相关问题

液晶相位调控器件在聚变点火、激光加工、光电对抗、激光雷达、激光通讯、激光防护等高功率激光领域有着非常广泛的应用及应用前景。但受限于构成器件材料自身抗激光损伤能力的限制以及缺乏对高功率激光辐照下液晶相位调控器件相位调控性能退化及损伤特性的系统研究,目前液晶相位调控器件的激光耐受力还难以满足高功率激光系统的应用和发展需求。为指导高激光耐受力液晶相位调控器件的制备工艺优化,对液晶相位调控器件在高峰值和高平均功率激光应用下出现的损伤现象以及性能退化进行了综述,最后对液晶相位调控器件激光耐受力提升方法做了总结和归纳。

基于相位调控的超高透射声学超表面及其应用

声学超表面可以灵活有效地对声波进行调控,实现多种新颖的现象和功能,在诸多声波调控领域有潜在的应用前景。该文引入了一种镀膜型迷宫结构单元,可以提供全范围(0~2π)的突变相位,具有高效的透射率(~100%)和较好的鲁棒性。基于相位调控,可利用镀膜型迷宫结构单元构建出超高透射超表面,实现异常声折射、声聚焦、声束沿任意凸轨迹弯曲传播以及声成像等应用。

基于人工结构板的声贝塞尔束的相位调控(特邀)

理论及数值模拟了人工结构板对声贝塞尔束相位拓扑阶数的灵活调控。基于惠更斯原理推导了平面波及贝塞尔束入射到刻有镂空阿基米德螺旋栅的金属板后出射波的声场分布。结果表明,当平面波从结构板的正反两向入射时,可分别得到带相反拓扑阶数的贝塞尔束;当贝塞尔束从结构板的正反两向入射时,可获得升阶或降阶的出射贝塞尔束。数值模拟声场分布对理论分析进行验证,进一步发现,升高工作频率至人工结构板对应基频的倍数,会得到对入射波高倍数相位阶数的调控。本文提出的贝塞尔束声场调控方法有望推动轨道角动量在信息传递及编解码中的应用。

He原子体系中偶极子响应的周期性量子相位调控的理论研究

基于激光诱导相位模型,研究了周期性相位调控的He原子体系的光谱响应.研究发现,周期性的相位调控会导致He原子吸收谱由单个孤立的洛伦兹线型转化为等间隔的"梳状"结构."梳状"光谱的性质主要由原子系统和控制脉冲链的性质决定,并给出了表征"梳状"光谱的理论公式.该机理具有普遍适用性,它可以应用到任意原子体系,进而推广到任意波段,并且为任意波段的脉冲整形提供了可能.

驻波型相位调控声镊操控稳定性研究

为研究驻波型声镊的聚焦声场特征及其操控微粒的稳定性,使用有限元方法建立了相位调控聚焦声场控制模型并搭建了声镊实验系统,测量了系统中微粒多方向移动的位置精度,并分析了聚焦声场的分布规律及其影响。理论与实验结果表明,所设计声镊系统能够在平面内完成微粒操控。相位调控声镊在微粒操控稳定性方面存在区域差异性,越靠近中心区域的声场操控稳定性越强,越靠近边界区域的声场操控稳定性越差。通过细化移动步长可一定程度上提高微粒操控的稳定性。

0.55～0.85μm波段增透膜的相位调控设计与研制

在0.55～0.85μm波段范围内,在保证薄膜高透射率的同时对其相位进行调控,是多偏振成像模块项目研制的关键技术。采用等效膜层理论,使用三种氧化物薄膜材料：Ta2O5、Al2O3、SiO2,在光学玻璃H-LaK4L基底上设计并制备了相位调控增透膜。经过工艺优化,研制结果表明,在28°入射条件下,0.55～0.85μm的波段范围内,薄膜平均透射率大于97%,其相位差小于1°。膜层能够经受航天光学薄膜产品的环境实验的检验,满足了项目的可靠性要求。

球面超声相控阵列及其相位与幅度调控精度

研究了一种不等间距排列的球面相控阵列及其相位和幅度调控量化误差对声场的影响 .结果表明 ,不等间距排列大大降低了栅瓣 ,同时其相位与幅度调控精度不会改变焦点声场的主瓣和栅瓣的位置 ,但对主瓣幅值有明显的影响 .4位的调相和调幅精度可以较好地满足设计要求 .

多功能超构表面的相位调控机制及研究进展

从分析超构单元的相位调控原理入手,讨论如何利用多个光学自由度实现多功能的光学响应。作为验证,以非晶硅矩形纳米柱组成的超构表面为例,展示了不同相位机制对光场的多维度调控能力。该研究为超构表面的灵活设计提供理论支持,同时对多功能超构器件的研究进展进行介绍和展望。

电磁超构材料色散调控研究进展

超构材料通常由亚波长的周期性谐振单元组成,具有自然材料所不具备的超常电磁特性,为操控电磁波提供了全新的技术途径。色散是材料的固有属性,调节亚波长结构的电磁共振可以实现奇异的色散特性,从而突破传统定律限制,实现对电磁波的任意操控,由此产生了一系列全新的应用,如超分辨成像/光刻、高效电磁吸收/辐射、平面光子器件等。本文总结了超构材料中色散调控的基本理论和几种典型方法,介绍了其在相关领域的应用,并对超构材料的发展前景作出展望。

基于相位变换声镊的单个微粒平面移动操控

声镊一般是指利用声辐射力原理对微小粒子进行悬浮和移动的一种技术.粒子的水平移动是声镊操控粒子的常见方式之一.本文理论推导了声辐射力与声压之间的直接关系,结果表明声压极大值点(聚焦点)与声辐射力势能的极小值点之间具有对应关系,并根据声阵列相位合成原理建立了声镊声场聚焦模型.文章基于数值仿真方法,以双侧16阵元声镊装置为例,分析了粒子水平移动的控制方法和稳定性.由于受到重力影响,粒子水平移动过程中必须考虑竖直方向的平衡问题.声场中,不同位置的粒子向各方向水平移动的稳定性是不同的.越靠近阵列中心,粒子移动的稳定性越高.粒子移动步长(精度)对移动稳定性也有重要影响.一般来说,步长越短稳定性越高.本模型中,移动步长减小1/2,稳定性提了高近40%.研究结果对于设计声镊粒子移动控制方法,规划粒子移动路径,推动声镊技术应用等具有理论意义.

基于太赫兹石墨烯等离激元的多参数相位可调谐结构及其应用

太赫兹波的振幅和相位进行主动调控由于在太赫兹功能器件方面的广泛应用,受到了广泛关注.目前采用的金属-介质-金属超表面结构结合石墨烯等二维材料可实现太赫兹振幅/相位的动态调控,但存在调控自由度少(电压或光强)以及超表面结构加工工艺复杂及价格昂贵等缺点.本文提出了一种棱镜耦合石墨烯等离激元结构的相位调控结构.该结构不仅可以通过通常方式调控费米能级实现对相位的调控,还可以通过调控空气隙的厚度和预铺石墨烯的层数改变结构的本征损耗和辐射损耗,从而对结构的相位进行调控,这是由结构中的本征损耗和辐射损耗的差值决定,与结构处于欠耦合/过耦合状态密切相关.对结构相位的调控还会导致太赫兹古斯汉欣位移大小和正负的选择.进一步,本文阐述了结构的欠耦合和过耦合状态对古斯汉欣位移的符号有重要影响.结果表明,通过对空气隙的厚度和石墨烯的费米能级进行动态调控,改变系统的本征损耗和辐射损耗,可以实现相位的调控,最终实现过阻尼到欠阻尼的转变.在此物理过程中,系统的古斯汉欣位移也会发生明显的变化.与金属-介质-金属超表面结构相位调控器相比,本文提出的结构具有工艺简单(不需要微结构加工工艺),可调谐自由度高(可利用石墨烯费米能级和空气隙动态调控,还可通过控制石墨烯层数调控)等优点.本文结果为多参数可调谐的太赫兹传感器件的发展开辟了新的途径.

双激光场调控Be^2+离子动力学的研究

为了研究高电荷态Be^2+离子在强激光中的超快动力学过程,采用求解系统的密度矩阵的方法,进行了理论分析,获得了Be^2+离子系统的光谱响应。结果表明,由于强激光场会导致激发态能级的瞬态斯塔克效应进而引起电子运动状态的改变,对应于Be^2+离子系统跃迁偶极子的相位改变量为0.5π;当两束红外激光强度为0.94×1012W/cm2时,Be^2+离子吸收光谱向高、低频端延伸,谱线形状由单个孤立的洛伦兹线型转化为“波浪式”结构;改变入射激光场的强度以及激光脉冲的持续时间和相对延迟时间可以控制吸收谱线型。此研究结果说明调控双激光的参量可以实现对高电荷态离子中核外电子运动的控制,也指明了软X射线脉冲整形的一个可行性方案。

基于PB相位的等离子体超透镜设计

相较于传统光学透镜,超透镜具有对光的可操纵性强、设计灵活和易于集成化等众多优点。然而基于电介质的超透镜需要亚波长尺度的高深宽比结构,对加工技术要求十分苛刻。提出了一种基于PB相位的等离子体超透镜设计方式,通过控制结构单元光轴方向可以实现对圆偏振光的调控,设计中采用的在金膜上刻蚀矩形孔的方式可以大大降低对加工条件的要求。基于时域有限差分(FDTD)的仿真计算表明,超透镜的焦距与设计值偏差约为2.5%,焦点半高宽(FWHM)与衍射极限偏差约为2.7%,具有较好的吻合度。

超宽带共极化相位梯度超表面的设计

为了实现电磁波的传播和共极化特性调控,利用PB几何相位理论设计了一种基于“弯工”形的金属结构超表面,采用10种不同的单元进行空间排布,每个相邻单元相位差为π10,实现了0~2π相位内的反射波相位调控。基于广义斯涅尔定律构建了相对带宽为57.3%的相位梯度超表面,其基本单元由顶层弯工形金属结构、中间为介质层与底层铜金属板组成。通过在不同频点处分别入射线极化波和圆极化波,能够实现对任意波束入射下的反射波束的偏转调控。仿真了在不同频点下的反射波束的偏转角度,并且与理论结果相一致。在设计频段范围内其共极化转换效率达90%以上,镜面反射率在-20 dB以下。通过测试所制作的超表面的镜面反射率为-15 dB与仿真结果基本相吻合。与传统超表面相比,所设计的超表面其频带范围在18.8~33.9 GHz,具有宽频带、高极化转换率、体积小、成本低的优点。该超表面能够应用在诸多方面如5G技术、高增益天线、超宽带隐身和雷达散射RCS等。

幅相独立调控超表面实现低副瓣透射阵天线

低副瓣电平能提升天线的抗干扰能力及信号获取能力,而基于超表面技术所设计的透射阵天线具有馈电简单、损耗低、剖面低和无遮挡等应用优势,提出了一种工作于线极化模式下的幅相独立调控超表面,可实现对转极化透射波幅度和相位的独立调控。在此基础上,利用该超表面设计了一款低剖面、低副瓣的透射阵天线。全波仿真分析和实验测试结果吻合,验证了该透射阵天线的良好性能。

基于超表面的多光谱成像系统设计

超表面是一种人工制造的亚波长结构阵列平面,重量轻,易集成,可实现多种功能,被广泛应用于诸多领域。传统光谱成像系统依赖于色散元件及光程累积相位差实现不同波长的色散与聚焦,无法满足系统集成化需求。不同于传统光学元件依赖电磁波在介质中传播累积相位差,超表面依靠界面相位变化来进行相位调控,可实现十分轻薄的光学系统。研究传输相位型超表面,使用时域有限差分算法(FDTD算法)优化单元结构。将超表面引入光谱成像系统中,通过优化亚波长结构尺寸,进行结构排布,开展超表面光谱成像系统研究,实现多波长色散与聚焦独立调控。利用该方法,扫描不同单元结构参数对相位的影响,依照聚焦的相位分布针对不同波长设计对应的位相分布,仿真实现了一个波段范围为510~720 nm,焦距为2 mm,谱段数为八个的超表面多光谱成像系统。通过电磁仿真软件FDTD solutions和数据处理软件计算全模结构电场的远场分布,并分析了系统的成像性能。相比于传统光栅或棱镜分光结构,超表面光谱成像系统可有效减小系统体积,其超轻、超薄、便携特点解决了现有光谱成像系统的应用局限性,为小型化、轻量化光谱成像系统的研制提供了一种新的解决方案。

光纤激光相控阵相干合成技术研究进展

主要介绍了近年来光纤激光相控阵相干合成技术的发展现状,总结了中国科学院光电技术研究所在这方面的最新研究成果,包括基于振幅调制的光纤激光相控阵相干合成能力优化、光纤激光相控阵实现收发一体相干合成、光纤激光相控阵的目标在回路相干合成、光纤激光相控阵在大气湍流下实现耦合接收光束的共相合束、基于多孔径波前探测的相干合成方法、基于自适应光纤准直器和微透镜阵列的光束大角度高精度连续寻址扫描等。以上研究工作将促进光纤激光相控阵技术朝向更多单元、更高功率、更远距离等方向演进,并推动其与激光大气传输、空间激光通信、自适应光学等理论和应用的结合与发展。