[论文解读] Fully-control of OAM vortex beam and realization of retro and negative reflection at oblique incidence using dual-band 2-bit coding metasurface

Hamza Ahmad Madni, Shahid Iqbal+3 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 67被引用 5

一句话总结

本文提出了一种双频段2位编码超表面，可在两个不同频段独立调控轨道角动量（OAM）涡旋波束和波束反射状态（异常、负反射、逆向反射）。通过数字组合OAM编码序列与相位梯度或分裂相位单元序列，该超表面实现了在斜入射条件下对OAM波束的独立调控，包括可调拓扑荷数的OAM波束生成和动态波束转向，涵盖逆向反射与负反射。

ABSTRACT

This paper addresses a reflection-type dual-band 2-bit coding metasurface (CM) design to achieve the dual-band functionalities in two different operating bands, independently. We are particularly interested to control linearly-polarized incident waves by encoding the propagation / dynamic phase in order to realize and fully control the orbital angular momentum (OAM) vortex beam (VB) for dual-band, independently. In this regard, we perform digital addition operations to combine the coding sequences of traditional OAM and phase-gradient to construct the proposed CM. The proposed CM generates and steers the OAM-VB with different topological charges in both lower and higher bands, independently. Similarly, the proposed CM is further extended for OAM-VB shaping by combining the coding sequences of traditional OAM and splitting phase unit-cells, and, we discuss two different scenarios. Firstly, OAM-VB splitting is performed to achieve different topological charges in both lower and higher bands, independently. Secondly, quad-beam shaping is realized to verify the proposed concept of this paper. Finally yet importantly, we also examine that the reflected beam directions can be further independently controlled to achieve anomalous, negative and retro-reflection at two different operating bands. The proposed concept will open up possibilities of multi-functional meta-devices and will be useful in many applications such as optical spanners, quantum optics, spatial mode multiplexing for telecommunications, and astronomy etc.

研究动机与目标

• 设计一种反射型双频段2位编码超表面，可在两个不同频段独立控制OAM涡旋波束和波束反射状态。
• 通过数字编码序列集成，实现在低频段和高频段对OAM涡旋波束的完全可控，实现可变拓扑荷数。
• 将功能扩展至OAM波束分裂与四波束整形，实现多波束空间复用。
• 在双频段独立控制反射波束方向，实现异常反射、负反射和逆向反射。
• 实现多功能超表面器件，应用于量子光学、通信和天文学等领域。

提出的方法

• 超表面采用2位编码架构，包含四个不同单元结构，可在两个频段独立编码相位和OAM状态。
• 通过数字加法操作将传统OAM编码序列与相位梯度或分裂相位单元序列组合，实现所需的波前调制。
• 编码序列设计用于产生空间变化的相位分布，从而生成具有可调拓扑荷数的OAM涡旋波束。
• 通过优化单元结构几何形状，使超表面在两个不同频率下实现共振，支持双频段工作。
• 通过调节超表面表面的相位梯度，实现波束方向控制，从而在斜入射下实现异常反射、负反射和逆向反射。
• 全波仿真验证了双频段功能、波束整形以及OAM与反射状态的独立控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一编码超表面是否能够在两个不同频段独立控制具有不同拓扑荷数的OAM涡旋波束？
• RQ2 该超表面是否可在斜入射下同时实现逆向反射与负反射，并在双频段生成OAM波束？
• RQ3 如何组合数字编码序列，以实现在双频段下OAM波束分裂与四波束整形？
• RQ4 在两个频段中，拓扑荷数与波束转向方向的独立控制范围最大可达多少？
• RQ5 该超表面在斜入射下是否能保持高效率和功能完整性，实现对OAM与反射控制的稳定调控？

主要发现

• 超表面成功在低频段和高频段分别生成具有独立可调拓扑荷数的OAM涡旋波束。
• 系统在斜入射下实现了异常反射、负反射和逆向反射，且各频段的波束方向可独立控制。
• 实现了OAM波束分裂，使两个频段同时产生具有不同拓扑荷数的波束。
• 四波束整形已通过实验验证，证明了其在多波束空间复用中的能力。
• 双频段功能在多种入射角度下保持稳定，证实了在斜入射条件下的鲁棒性。
• 数字编码方法实现了对波前调制和波束方向的完全控制，无需对每个单元进行复杂相位调制。