简易对称三孔缝Babinet超表面中的Fano共振（英文）

研究一种结构简单对称三孔缝Babinet超表面在太赫兹频段的Fano共振现象.发现当沿垂直狭缝方向极化的线极化波垂直入射于超表面时,会引起入射波激发的同相明模式与反相暗模式进行干涉,从而产生Fano共振.通过调节超表面的结构参数,可以实现同相明模式的单独调谐及反相暗模式的线性变化,也实现了品质因数的调谐,揭示了一种实现Fano共振明暗模式调谐的方法.研究显示,调谐Fano共振的机理在传感器、滤波器、光开关、光电探测器及能量收集器等领域,因其先进的性能而极具应用前景.

液晶智能超表面辅助的室内可见光通信系统优化设计

可见光通信(VLC)作为6G的候选技术,具备广阔的免许可频谱、更高的安全级别、避免射频干扰等诸多优势,这些特点使得VLC成为射频通信的有效补充方案.本文设计并优化了一种基于功率域非正交多址(PD-NOMA)技术的室内VLC下行链路通信系统,该系统中包括一块位于信道中间的同时透射和反射智能超表面(STAR-RIS)和一个基于液晶智能超表面(LC-RIS)的接收器.为了评估所设计的系统性能,本文提出了一个和速率最大化问题,并考虑了实际情况下发射机和接收机之间的视距(LoS)路径存在非用户遮挡因素.由于所提出优化问题的非凸性,首先使用二次变换将目标函数转化为一个分式规划(FP)问题,其次采用分步优化算法和凸优化(CVX)工具来获得可行解.此外,本文分析了发光二极管(LED)的数量、入射光波长以及液晶折射率对室内可见光通信系统和速率的影响.数值仿真结果表明,在能量分裂(ES)操作协议下,STAR-RIS和LC-RIS联合辅助的室内VLC系统的和速率明显高于仅有反射智能超表面(RIS)和无LC-RIS的VLC系统.LED灯数量、入射光波长以及液晶(LC)折射率均会在一定程度上对系统性能产生影响.这些研究结果为室内可见光通信系统的设计和优化提供了重要参考.

智能超表面辅助的通感一体化性能优化

为了解决因障碍物等遮挡导致的覆盖空洞和探测精度下降问题,提出了一种基于栅格化的智能超表面辅助的通感一体化优化方法。首先,建模了最小化均方位置误差问题,将弱通感区域和RIS可能部署区域栅格化以降低计算难度,并采用粒子群优化算法和交替优化算法联合优化智能超表面期望反射角角度和部署位置。最后,引入探测需求因子,建模通感性能联合优化问题,并分析了探测需求因子对系统通感性能的影响。仿真结果显示:(1)相较于仅优化期望反射角,联合优化智能超表面的期望反射角和部署位置的方案,在平均信噪比仅有略微下降的情况下,可显著降低平均均方位置误差,平均均方位置误差降低10倍左右;(2)不同尺寸大小的智能超表面会对其最佳部署位置有影响;(3)联合优化智能超表面的期望反射角和部署位置提高了探测精度,最大化了通感整体性能。

超疏水表面加工技术及耐磨性能研究进展

当前制备的超疏水表面耐磨性能普遍较差,因而其在各领域的应用受到限制。研究表明微纳结构和低表面能是实现功能表面超疏水性能的关键因素,因此,首先基于超疏水表面作用机制,对超疏水表面织构进行了归纳,旨在通过优化表面织构来解决微纳结构易磨损难题;然后对超疏水表面加工技术进行了梳理总结,从成本和效率两个方面分析了降低表面能的措施,为拓展超疏水表面加工体系提供思路;进而详细总结了超疏水表面耐磨性的分析手段,并阐述了提高超疏水表面耐磨性的方法;最后,展望了耐磨性超疏水表面的未来发展前景,以期推动超疏水表面在工程中的大规模应用。

超疏水表面的制备及其在含油废水处理中的应用——一个物理化学综合创新实验

以较前沿的科研成果为基础设计了一个物理化学综合创新实验。通过该实验,学生不仅可以了解油污染水环境问题,加深对润湿性一般理论的理解,还可以掌握超疏水材料的制备、接触角表征以及超疏水/超亲油材料对含油废水进行处理的操作和方法。实验融入了较多的课程思政元素,通过引导学生利用课堂学习的表面化学理论知识解决含油废水处理问题,培养学生的社会责任感、专业自豪感、严谨的科学思维和创新能力。

适合致密油藏的超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐技术

为了进一步提高致密油储层超临界CO_(2)吞吐的开发效果,探索适合致密油藏的超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐技术,通过原油黏度实验、油气界面张力实验、最小混相压力实验、原油膨胀系数实验以及超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐模拟实验,评价了不同类型气溶性表面活性剂的性能及其对吞吐采收率的影响。结果表明:气溶性表面活性剂GRS⁃1的综合性能更加突出,随着气溶性表面活性剂质量分数的不断增大,原油黏度、油气界面张力和最小混相压力均呈现出逐渐降低的趋势,而原油体积膨胀系数则逐渐增大,并且岩心的吞吐采收率和入口端压力也呈现出逐渐增大的趋势;随着混合流体注入量的增加以及闷井时间的延长,岩心吞吐采收率和入口端压力均逐渐增大,并且岩心的渗透率越大,吞吐采收率就越高;超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐的最佳实验参数为气溶性表面活性剂GRS⁃1的质量分数0.6%、混合流体注入量0.5 PV、闷井时间3 h、吞吐轮次3次。该复合吞吐技术能够显著提高致密油藏的采收率,对高效开发致密油藏具有指导意义。

全双工主动窃听非正交多址接入系统智能超表面辅助物理层安全传输技术

针对全双工被动窃听和主动干扰攻击下的多用户非正交多址接入(NOMA)系统,该文提出一种智能超表面(RIS)辅助的鲁棒波束赋形方案以实现物理层安全通信。考虑在仅已知窃听者统计信道状态信息的条件下,以系统传输中断概率和保密中断概率作为约束,通过联合优化基站发射波束赋形、RIS相移矩阵、传输速率和冗余速率,来最大化系统的保密速率。为解决上述多变量耦合非凸优化问题,提出一种有效的交替优化算法得到联合优化问题的次优解。仿真结果表明,所提方案可实现较高的保密速率,且通过增加RIS反射单元数,系统保密性能更佳。

钛合金表面超疏水膜的制备及其耐蚀性与机械稳定性

采用阳极氧化工艺在Ti6A14V钛合金表面制备阳极氧化膜作为过渡层,然后喷涂SiO_(2)颗粒溶胶烘烤使其固化成膜,再通过正辛基三乙氧基硅烷表面修饰,制备出具有微纳米表面结构、接触角为151.6°的超疏水膜。结果表明:超疏水膜的主要成分为Ti、O、Si和C元素,腐蚀电流密度仅为8.06×10^(-8)A/cm^(2),较裸钛合金降低约一个数量级,并且电荷转移电阻和低频阻抗模值较裸钛合金分别增大约7000Ω·cm^(2)、3000Ω·cm^(2),表现出良好的耐蚀性,可作为耐腐蚀膜层对钛合金起到防护作用。超疏水膜经受80次落砂冲击、50次胶带剥离以及沿砂纸往复摩擦400 cm后,接触角仍然大于150°,保持超疏水状态。蜂窝状多孔结构的阳极氧化膜充当过渡层,使溶胶膜和表面修饰形成的薄膜与钛合金基体牢固结合,从而表现出良好的机械稳定性。

水下声学超表面异常折射方向调控研究

针对波束调控的问题,本文提出了一种控制波前相位的声学超表面。本文依据广义斯奈尔定律,利用不同声速的均匀介质构建了水中多频声学超表面模型,给出声学超表面产生异常声折射的基本原理,验证了声学超表面在多个频点下可以实现异常声折射现象,揭示了频率以及声波入射角对声学超表面异常折射现象的影响规律,制备了声学超表面实物在水箱中对理论结果进行验证。结果表明:在入射波频率为基频的整数倍时,超表面模型可以实现折射角相同的异常折射现象,并且入射角在一定范围内可以实现负折射现象。实验测量了水中钢板和超表面的折射情况,相较于均匀介质,在不同入射角度下设计的超表面均可以实现异常折射,并且测量值与理论值吻合较好。

基于超表面微纳结构的视网膜成像显示仿真研究

基于广义斯涅尔定律及几何相位超表面调控原理,利用时域有限差分法研究了超表面微纳结构的聚焦特性,设计了基于麦克斯韦观察法的视网膜投影成像系统,以高斯光源模拟细光束实现了整个系统成像的仿真.首先,基于TiO_(2)超表面单元,设计了半径4.875μm、数值孔径0.44的超透镜,光线焦点位置仿真值与设计值误差仅为0.4%.然后,研究发现相同数值孔径的超透镜具有相同的成像效果,表明可将微观层面仿真推广到大尺寸.最后,对视网膜投影成像系统进行了仿真,结果表明可实现带有图案信息的像源的成像,且不同位置成像面均可还原像源图案,证明人眼的调焦不影响虚拟图像的清晰度,可有效解决辐辏聚焦矛盾.基于超表面微纳结构的视网膜投影成像显示为超薄超轻无辐辏聚焦矛盾的近眼显示器件的发展提供了一种新的选择.

电磁超表面全息成像技术研究进展

超表面全息术的出现极大地促进了全息成像技术的发展,同时也拓展了电磁超表面的应用范围。为进一步梳理超表面全息成像的发展脉络,以技术发展的时间轴为主线,系统地回顾了超表面技术的发展历程,以及受益于超表面技术的全息成像模式的进步。随着技术的进步,超表面全息术逐渐从可见光频段向微波频段发展,从静态重现向动态全息演变,因此,着重介绍了超表面全息术的未来方向——可重构超表面及其动态全息技术,并且从超表面单元高性能创新技术、超表面阵列全息模式以及超表面全息系统研究3个方面对可重构超表面全息术的发展做了展望。

基于共享孔径技术的低RCS电磁超构表面天线设计

提出一种基于共享孔径技术设计低雷达散射截面(radar cross section,RCS)电磁超构表面天线的新方法.该方法首先设计具有低RCS性能的超构表面,然后借鉴共享孔径技术思想,将超构表面和传统天线的辐射结构直接共享口径紧密排列,得到新型低RCS天线结构,并结合电流分析和局部结构修正,优化天线的辐射性能,最终同时实现天线的良好辐射和宽带低RCS性能.为了阐明该方法,基于极化旋转机理设计了一款低RCS超构表面,采用共享孔径思想和电流分析,得到了一款宽带低RCS超构表面天线,详细分析了该天线的工作机理与性能.结果表明:设计的天线在保证较好辐射的同时,实现了超宽带RCS减缩,提出的设计方法摒弃了从天线到低RCS天线的传统设计思路,通过逆向思维,将散射的优化问题转化为辐射的优化问题,不仅实现了天线与超构表面的一体化设计,还显著地降低了低RCS天线优化设计的难度,加速了天线优化进程.

基于石墨烯的多功能超表面设计

为实现机载天线罩吸波/透射波/反射波功能一体化,设计了一种基于石墨烯和光电二极管(PIN)的宽带吸波/反射波/透射波多功能超表面。当PIN正向导通时,超表面对入射电磁波的透过率接近于0,反射率可以通过改变石墨烯的费米能级进行调节;当石墨烯的费米能级为0.3 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的吸收率超过了90%;当石墨烯能级为0 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的反射系数高达45%。当PIN反向截止时,超表面在4.76 GHz处出现了一个透射峰,石墨烯费米能级为0.3 eV和0 eV时的透射系数分别为61%和71%。设计的超表面具有结构简单、宽带吸波/反射波/透射波多功能等优点,在通信和雷达等领域具有广泛的应用前景。

液滴碰撞超疏水表面上附着不相溶液滴机理研究

以数值模拟为主要手段对液滴碰撞超疏水表面上附着不相溶液滴演变过程及内在机理进行了系统性的研究工作。首先,发掘出附着模式、弹开Ⅰ模式以及弹开Ⅱ模式等三种液滴碰撞的典型演变模式;其次,从能量角度揭示了Weber数(We)、Bond数(Bo)以及Ohnesorg数(Oh)等无量纲参数对于液滴碰撞动力学行为的影响规律;最后,建立了液滴碰撞典型演变模式与We、Bo、Oh等无量纲参数的依赖关系图谱。结果表明:碰撞液滴之间的能量传递、转换以及黏性耗散直接影响液滴碰撞的动力学行为;随着Oh的减小、Bo的减小以及We的增大,液滴碰撞典型演变模式出现从附着模式到弹开模式的转捩;We-Oh对液滴碰撞典型演变模式的影响规律与We-Bo近乎一致。

加载超表面的宽带低剖面双极化交叉偶极子天线

该文提出了一种加载超表面(MetaSurface,MS)的宽带低剖面双极化交叉偶极子天线.天线由三部分结构组成:1对交叉偶极子、4个寄生贴片和超表面结构.交叉偶极子用于实现天线的双极化特性.通过在交叉偶极子上方加载寄生贴片和在偶极子臂处开槽,扩展了天线的阻抗带宽.同时将交叉偶极子下方的金属反射板替换为超表面,实现了天线的低剖面.为了提高馈电端口间的隔离度,引入了4个金属短路柱.仿真和测试结果表明,天线|S_(11)|<-10 dB的阻抗带宽为42.5%(2.26~3.48 GHz),在带宽范围内端口隔离度和交叉极化分别大于21 dB和小于-31 dB,天线的整体尺寸只有0.5λ_(0)×0.5λ_(0)×0.074λ_(0)(λ_(0)为工作频率2.9 GHz时对应的自由空间的波长).

电磁偏谐振阻抗匹配宽带传输超表面设计

针对传统传输超表面固有高Q值导致的工作频带窄的问题,提出了一种电、磁双模偏谐振阻抗匹配实现宽带传输超表面设计方法。建立了实现低损耗透波阻抗匹配的本征参数模型,并根据经典Drude-Lorentz模型分析了本征参数在电磁谐振与偏谐振区域的电磁特性。基于此,通过独立激励电、磁偏谐振模式,设计了满足宽频带阻抗匹配的本征参数电路模型。基于该模型,通过在超表面中引入金属微带线和平行贴片分别作为电、磁偏谐振器,调控结构的本征参数,从而在宽频带内实现所需本征参数条件。仿真和测试结果均证明,设计的超表面实现了双极化模式相对带宽为79.5%的3 dB传输带宽,且结构具有0°~40°的斜入射稳定性。该超表面具有超宽带、结构简单的特点,可应用于高性能天线罩设计中。

基于OAM复用信号高效调制解调的声学超表面

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)复用是提高声学通信系统数据容量的一种潜在解决方案,提出一种利用声学超表面对OAM复用信号进行调制和解调的方法,利用该方法对独立声轨道角动量(Acoustic Orbital Angular Momentum,AOAM)信号的幅度和相位进行分析,并通过仿真实现对AOAM信号的调制和解调.AOAM信号的相位和幅度提供正交自由度,通过设计合适的声学超表面并将其与二进制差分相位编码技术相结合,证明其可以实现AOAM复用信号的有效调制和解调.正交声学螺旋模态可防止模式耦合和串扰,从而增强声学多路复用.基于谐振的结构提供信号频率选择性,提高了交互效率,简化了终端设备,便于实现大容量声学通信系统的创建.

受猪笼草启发的仿生超滑表面研究进展

自然界中猪笼草的袋状叶片内壁呈多孔结构,能锁住其分泌的蜡状物质,受此启发,向粗糙基底灌注低表面能液体以形成稳定的润滑油层,进而制备出注液超滑表面,其比超疏水表面具有更耐久的疏液、自清洁、防附着等性能,成为当前研究的热点。基于此,该文介绍了仿生超滑表面的润湿理论及作用机制,综述了超滑表面构建技术策略,包括粗糙基底成形-润滑油灌注与粗糙基底成形-基底化学修饰-润滑油灌注2种典型的路径;全面总结了粗糙基底的制备方法,包括刻蚀法、溶胶-凝胶法、呼吸图法、水热法,并介绍了仿生超滑表面在油水分离、水雾收集、防腐蚀、液滴操控、防覆冰领域的应用进展;最后,对仿生超滑表面的发展前景进行了展望。

基于手性超表面的宽波段圆偏振光电探测器的仿真设计

针对用于检测圆偏振光的超紧凑光电探测器的工作波段大多分布在近红外及中红外且工作波段较窄的问题,设计了一种具有较宽工作带宽的圆偏振光集成光电探测器。该探测器由石墨烯与手性超表面集成,当不同圆偏振光作用在手性超表面上时,会产生不同程度的近场光学增强,利用手性超表面在较宽波段下的强偏振依赖性来增强探测器的偏振选择性。通过时域有限差分(FDTD)仿真及优化超表面结构,手性超表面在波长为577~797nm波段内的圆二色性≥0.18。设计的圆偏振光电探测器主要工作在可见光波段,工作带宽可以达到约220nm。该探测器的设计为单一片上偏振计检测更宽波段的圆偏振光提供了新的设想。

各向异性超表面宽带高效极化转换

为了实现水平方向和垂直方向入射电磁波的高效率、宽带反射型交叉极化转换,提出了一种各向异性超表面结构,使用数值模拟仿真方法以及有限元分析方法进行研究。结果表明,所设计双十字结构超表面的电磁响应谱产生了4个共振区,从而导致了极化转换带宽的扩展。响应频段覆盖了Ku波段的10.7~18.7 GHz,其极化转换率(polarization conversion ratio,PCR)大于0.94。此外,在入射波角度为0°~50°内,都能保持较高的极化转换性能。该极化转换器具有简单的几何形状和较宽的工作频带,可能在伪装隐身、雷达通信和天线等应用中具有潜在的价值。