[发明专利]一种电磁波波束调控装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种波束调控装置，特别涉及一种采用超材料进行波束调控的装置。

背景技术

波束调控是人们超控电磁波的一个非常重要手段。波束调控装置对于器件应用非常重要。波束调控的范畴包含电磁波的聚焦、发散、波分复用、波束偏转、波束模式转换等等。透镜是实现对电磁波的聚焦和发散的基本器件，在光波段和微波段均有广泛的应用。波分复用、波束偏转、波束模式可以通过特殊的光栅实现。这些器件应用到的基本物理原理就是费马原理。

电磁波在介质中传播时遵循费马原理，即光波从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。更普适的表述为稳定相位理论，即光波沿不同路径从A点传播到B点时，沿传播路径的相位累加的一阶导数必须是零。费马原理是光学中的一条重要原理，由此原理可证明反射和折射定律，以及傍轴条件下透镜的等光程性等。同时也告诉我们，通过对光波的相位调控，可以实现对光波波束的控制，例如波束偏转，波束整形等等。

传统方法一般利用介质的时延来调控位相，电磁波在介质中传播的时延会引入对出射波的相位的改变。通过对介质厚度的分布或者传播路径的长短可以改变沿不同路径的电磁波相位分布，从而实现对波束调控的目的。例如透镜是通过设计特殊形状的玻璃来调控位相，当光通过不同位置时，由于介质厚度是位置的函数，因此时延和位相可以被精确控制，波束可以被发散，聚焦。但是电磁波在介质中传播时相位是缓变的，因此要波束调控装置的厚度一般远大于波长。

电磁超材料能实现负的介电常数和磁导率，同时也使得出射波和反射波振幅和相位在亚波长厚度内得到调控。2011年10月Science报道了哈佛大学F.Capasso教授课题组关于利用超薄单层金属结构超材料的相位突变实现光波的波束整形，利用V形金属结构给出了一个产生涡旋波束的实例，引起了广泛关注[Science334,333(2011)]。超材料的谐振特性能改变特定频率电磁波的相位，出射波和反射波与入射波存在一个相位突变，这使得光波波束能在亚波长尺度内得到调控，F.Capasso教授等人正是通过电磁（光）波的相位突变产生涡旋波束。2012年1月，美国普度大学V.M.Shalaev教授等人也利用V字结构排列而成的平面电磁特异材料在可见光频段实现了对反射波和出射波宽角度波束偏转，该工作同样发表在Science杂志上[Science335,427(2012)]。利用电磁超材料调控相位这一概念实现高效的波束整形，需要对相位的调控范围尽量大，完全覆盖0-360o区间；如果在相位控制的同时能对出射波的振幅加以调节，波束调控的自由度就更大，甚至可以实现平面波到任意高阶涡旋波束的高效率转换。而现有的这些金属谐振单元（光波天线）很难同时实现这些条件。如前所述的V字形状光波天线可以在0-360o范围调节散射波相位，但是其对于光波的散射振幅只能微弱调制，因此波束调控效率很低，总转换效率小于10%。在V.M.Shalaev等人的研究工作中，虽然光波在很大角度范围得到了偏转，但是其有效透过率和反射率都不足3%。因此寻找局域场的位相和振幅均能大幅度调节、且总体透射率高的平面电磁超材料很有必要。

金属薄板周期小孔的超透射现象中，透射波相位也受到了SPPs模式和局域共振模式的调制。对于单层金属小孔阵列而言，其局域模式的谐振隧穿使得出射波和入射波在超透射频点同相，所以其相位调控能力有限。2011年，魏泽勇等人在Optics Express19,21425(2011)上公布了一种利用层叠金属结构实现宽频带透波和相位调控技术。该文章指出，利用金属层叠结构，局域共振模式的层间耦合使出射波的相位在更大范围内得以调节，相位调节范围与金属层数成正比关系。以两层金属超透射结构为例，层间耦合形成的对称态和反对称态，使出射波的相位分别是0和π。在这两个频率之间的频段，出射波在保持高透过率的同时，位相能在0～π范围内调节。而层数越多，其调节范围越宽、且能维持高透明。本发明正是利用金属-介质多层的通孔（例如同轴圆环孔）叠层结构在平面内的排布进行拓扑设计，产生“光学天线阵列”的效果，裁剪波阵面相位实现波束偏转和整形。该方法能大大增强波束转换效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用多层金属谐振结构来实现高效率波束调控装置，通过对多层金属谐振结构空间分布设计，可以实现高效的波束偏转，聚焦，波分复用等波束调控功能。这种多层金属谐振结构利用局域共振模式的层间耦合展宽高透明的频带，在高透明的频带中，相位连续可调。

本发明的技术方案是一种波束调控装置，包括金属层和介质层。