[论文解读] Polarization-controlled anisotropic coding metamaterials at terahertz frequencies

Shuo Liu, Tie Jun Cui+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2015

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 2被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种在太赫兹频段利用1位和2位数字编码超表面实现的偏振控制各向异性编码超材料。通过根据偏振状态调节相位响应，该超表面可独立调控x和y偏振反射波，实现了实验验证的三维波束操控与近场场调控，同时具备异常反射、波束分裂和偏振转换功能。

ABSTRACT

Metamaterials based on effective media have achieved a lot of unusual physics (e.g. negative refraction and invisibility cloaking) owing to their abilities to tailor the effective medium parameters that do not exist in nature. Recently, coding metamaterials have been suggested to control electromagnetic waves by designing the coding sequences of digital elements '0' and '1', which possess opposite phase responses. Here, we propose the concept of anisotropic coding metamaterial at terahertz frequencies, in which coding behaviors in different directions are dependent on the polarization status of terahertz waves. We experimentally demonstrate an ultrathin and flexible polarization-controlled anisotropic coding metasurface functioning in the terahertz regime using specially- designed coding elements. By encoding the elements with elaborately-designed digital sequences (in both 1 bit and 2 bits), the x- and y-polarized reflected waves can be deflected or diffused independently in three dimensions. The simulated far-field scattering patterns as well as near-electric-field distributions are given to illustrate the bifunctional performance of the encoded metasurface, which show good agreement to the measurement results. We further demonstrate the abilities of anisotropic coding metasurface to generate beam splitter and realize anomalous reflection and polarization conversion simultaneously, providing powerful controls of differently-polarized terahertz waves. The proposed method enables versatile beam behaviors under orthogonal polarizations using a single metasurface, and hence will promise interesting terahertz devices.

研究动机与目标

• 开发一种可重构超表面，实现基于偏振态的太赫兹波独立调控。
• 通过引入偏振依赖的编码行为，克服传统各向同性编码超材料的局限性。
• 在一个超薄单体超表面上实现多功能波前调制，如波束分裂和异常反射。
• 实验验证数字编码序列可为正交偏振态产生不同的散射图案。

提出的方法

• 设计具有相反相位响应的特殊编码单元，分别对应数字状态'0'和'1'。
• 采用1位和2位编码序列，独立控制x和y偏振分量的反射波相位。
• 利用亚波长单元结构与偏振敏感谐振结构，制造超薄且可弯曲的超表面。
• 通过模拟远场散射图案与近电场分布，验证超表面的双功能行为。
• 在正交入射偏振条件下，实验验证波束偏转、扩散与偏振转换性能。
• 应用数字编码原理，实现无需外部调谐机制的动态波前调控。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计出在太赫兹波段表现出偏振依赖各向异性响应的编码超材料？
• RQ2 如何利用数字编码序列独立控制x和y偏振太赫兹波的反射？
• RQ3 单个超表面在多大程度上可实现同时的异常反射与偏振转换？
• RQ4 正交偏振态下，模拟与测量的远场散射图案之间的一致性如何？
• RQ5 能否利用同一物理结构，通过数字编码生成不同偏振态下的独特波束图案？

主要发现

• 通过偏振依赖的编码序列，超表面成功实现了对x和y偏振反射波的独立调控。
• 模拟与测量的远场散射图案高度一致，证实了其预测的波束操控能力。
• 该器件实现了同时的异常反射与偏振转换，正交偏振态下表现出不同的波束偏转角度。
• 近电场分布证实了波前的空间调制效果，其依赖于偏振态与编码序列。
• 2位编码配置相比1位版本实现了更复杂的波束整形，包括波束分裂与扩散。
• 超薄且可弯曲的设计支持其在紧凑型太赫兹系统中实现多功能波前控制的实用集成。