一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法

本发明属于人工电磁超表面，尤其涉及一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法。

背景技术：

0、技术背景

1、人工电磁超表面作为超材料的二维等效结构，具有亚波长周期的特点，对电磁波的幅度和相位有着强大的操控能力。超表面典型的相位调控方法主要有两种：传输相位和几何相位。其中，传输相位通过改变单元结构尺寸实现相位调控，主要用于调控线极化波的相位；几何相位通过旋转单元结构实现相位调控，主要用于调控圆极化波的相位，满足单元旋转α，相位变化|2α|的特性(左旋圆极化lcp相位变化-2α，右旋圆极化rcp相位变化+2α)。由于几何相位对lcp和rcp存在共轭的相位响应以及几何相位超表面存在自旋锁定的限制，极大地限制了其多样性发展。因此，迫切需要研究相关的自旋解耦方法来打破几何相位固有的自旋锁定限制。

2、为了使lcp和rcp实现不同功能，有研究学者提出“合并”超表面的概念，通过将几个具有不同功能的几何相位超表面合并在一起，进而实现lcp和rcp的独立可控。虽然利用“合并”的概念可以使lcp和rcp实现不同的功能，但是这种方法并未从根本上解决几何相位的自旋锁定限制，且存在效率低和各功能之间串扰的影响。最近，有研究学者提出利用传输相位和几何相位结合的方法实现自旋解耦。但是，现有的大多数研究集中在调控共极化分量的传输相位，这需要优化多个参数才能实现360°的相位覆盖，设计难度较大，且工作频带窄，应用范围比较局限。

3、轨道角动量(oam：orbital angularmomentum)具有螺旋状相位波前，理论上具有无限多种模式，且在多种模式同时传输时，各模式之间相互正交，互不干扰，可以有效提升信道容量和频谱利用率，近年来逐渐成为研究热点。目前，基于超表面对圆极化轨道角动量的研究存在工作频带窄、lcp和rcp涡旋波的模式及偏折方向对称无法独立调控的难题。而宽频范围内不同圆极化形式轨道角动量的模式和偏折方向独立可调的超表面在多功能设备、信号传输、信息安全等领域具有广阔的应用前景。因此，研究一种简单的基于宽带极化转换单元的自旋解耦轨道角动量超表面阵列设计方法具有重要的现实意义。

4、现有技术中，dong等人(shaohua dong,shiqing li,xiaohui ling,guangwei hu,yi li,hongyi zhu,lei zhou,and shulin sun,“broadband spin-unlockedmetasurfaces for bifunctional wavefront manipulations,”applied physicsletters,120,181702,2022.)设计了一种i形超表面结构，通过调控共极化分量的传输相位并结合几何相位实现自旋解耦的功能。该超表面单元结构周期为6mm，厚度为3mm，介电常数为3，损耗角正切为0.01。但其相对带宽较窄，仅为40％；zhang等人(lei zhang,shuo liu,lianlin li,and tie jun cui,“spin-controlled multiple pencil beams and vortexbeams with different polarizations generated by pancharatnam-berry codingmetasurfaces,”acs applied materials&interfaces,9(41),36447-36455,2017.)设计了一种长方形贴片的几何相位超表面结构，该超表面单元结构周期为6mm，整体厚度为2mm，介质基板的介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。该结构可在线极化入射下，反射生成模式对称、偏折方向对称的lcp和rcp轨道角动量波束，该技术仅采用几何相位调控圆极化波，存在自旋锁定的限制，且设计得到的双圆极化轨道角动量模式和偏折方向均对称，无法独立调控，灵活度低，且该设计的工作频带窄，仅为6.7％应用范围比较局限；yang等人(ling-junyang,sheng sun,wei e.i.sha,and jun hu,“bifunctional integration performedby abroadband high-efficiency spin-decoupled metasurface,”advanced opticalmaterials,2201955,2023.)设计了一种结合传输相位和几何相位的自旋解耦超表面结构。该超表面由加载偶极子的准i形三角排布的单元结构组成，单元周期10mm，厚度3mm，介电常数2.65，损耗角正切0.001。该设计通过结合传输相位和几何相位实现自旋解耦功能，但需要同时优化单元结构的三个尺寸参数实现对共极化分量传输相位的调控，达到360°的相位覆盖，优化变量多，设计难度大，相对带宽仅为70％。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中缺点，本发明的目的在于提供一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，通过构建双e型宽带极化转换单元结构，同时调控宽带极化转换单元的尺寸参数和旋转角度，实现对交叉极化分量的传输相位和宽带极化转换单元的几何相位的同时调控，仅需构建n/2个宽带极化转换单元，再将这n/2个单元以入射电场极化方向为对称轴镜像翻转即可得到另外n/2个宽带极化转换单元，最终实现轨道角动量oam涡旋波相位调控所需的360°的相位覆盖，极大的降低了oam涡旋波阵列的设计难度，实现了双圆极化轨道角动量的模式和偏折方向独立可调的功能，打破了几何相位自旋锁定的限制；得到的超表面阵列结构具有工作频带宽、转化效率高、多功能、性能灵活可控、双圆极化自旋解耦的优点；本发明具有优化变量少，结构简单，设计难度低，加工成本低的特点，有利于批量化生产应用。

2、为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案如下：

3、一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，包括如下步骤：

4、步骤1：基于极化转换原理构建宽带极化转换单元，该单元为单层结构，包括金属层3，位于金属层3上的介质基板2以及位于介质基板2上的金属贴片1；所述介质基板2与金属层3具有相同的周期尺寸，金属贴片1包括第一枝节4、第二枝节5以及分别与第一枝节4和第二枝节5垂直连接的连接枝节6，第一枝节4、第二枝节5以及连接枝节6形成镜像对称的双e形结构，双e形结构的开口对向设置，双e形结构的对称轴与入射电场的极化方向之间的夹角为45°或135°；所述宽带极化转换单元的尺寸均处于亚波长范围；

5、步骤2：调控步骤1中金属贴片1的第一枝节4或第二枝节5的长边l以及第一枝节4和第二枝节5之间的距离g，得到n/2个宽带极化转换单元(n为偶数)，将n/2个宽带极化转换单元以入射电场的极化方向为对称轴镜像翻转，得到另外n/2个宽带极化转换单元，从而得到满足360°相位覆盖的n个宽带极化转换单元；将金属贴片1以介质基板2的法向方向为旋转轴逆时针旋转α，几何相位变化满足±2α；

6、步骤3：根据宽带极化转换单元的琼斯矩阵，建立宽带极化转换单元的传输相位和几何相位与圆极化波入射下的补偿相位之间的关系，得到宽带极化转换单元的传输相位公式和几何相位公式；

7、步骤4：设置双圆极化轨道角动量波束的模式和偏折方向，计算左旋圆极化波的补偿相位φll和右旋圆极化波的补偿相位φrr，将左旋圆极化波的补偿相位φll和右旋圆极化波的补偿相位φrr带入步骤3得到的传输相位公式和几何相位公式中，计算相应的传输相位φxy和几何相位2α；

8、步骤5：基于步骤4计算的传输相位φxy确定步骤2中对应相位的宽带极化转换单元，再将对应的极化转换单元的金属贴片1按照步骤4得到的几何相位2α旋转α，得到超表面阵列的每个宽带极化转换单元的排布方式，对所有宽带极化转换单元进行排布得到宽带自旋解耦超表面阵列。

9、所述步骤1中连接枝节6将第一枝节4和第二枝节5垂直等分，第一枝节4与和第二枝节5结构相同且沿连接枝节6的垂直平分线对称分布，连接枝节6的垂直平分线与入射电场的极化方向之间的夹角为45°或135°；

10、所述第一枝节4包括两个第一子枝节42和第一连接子枝节41；第一连接子枝节41的两端分别与两个第一子枝节42的一端连接，第一子枝节42和第一连接子枝节41垂直；

11、所述第一枝节5包括两个第一子枝节52和第一连接子枝节51；第一连接子枝节51的两端分别与两个第一子枝节52的一端连接，第一子枝节52和第一连接子枝节51垂直。

12、所述步骤1中的介质基板2由介电常数为2.2-2.65的低损耗材料构成；金属层3和金属贴片1均由反射率≥90％的金属材料构成。

13、所述步骤2中相邻的宽带极化转换单元间的相位梯度为360°/n，且n个宽带极化转换单元间的传输相位梯度在工作频带范围内均相同。

14、所述步骤3中宽带极化转换单元的传输相位公式和几何相位公式的推导过程如下：

15、所述宽带极化转换单元的琼斯矩阵的表达式如下：

16、

17、其中，α表示金属贴片1的旋转角度，r(α)为旋转矩阵，rxx表示同极化反射系数(第一个下标代表反射波极化，第二个下标代表入射波极化)，rxy表示交叉极化反射系数，ryx表示交叉极化反射系数，ryy表示同极化反射系数，φxy表示线极化波入射下的传输相位；

18、所述宽带极化转换单元的反射电场er和入射电场ei之间的关系表达式如下：

19、er＝jα·ei；

20、当左旋圆极化波入射时，反射电场er的计算公式如下：

21、

22、其中，j为虚数符号；

23、反射波为与入射波方向相反的左旋圆极化波，左旋圆极化波的补偿相位φll的表达式如下：

24、

25、同理，当右旋圆极化波入射时，反射波为与入射波方向相反的右旋圆极化波，右旋圆极化波的补偿相位φrr的表达式如下：

26、

27、联立左旋圆极化波的补偿相位和右旋圆极化波的补偿相位的表达式，得到所述宽带极化转换单元的传输相位和几何相位；

28、所述宽带极化转换单元的传输相位φxy的表达式如下：

29、

30、所述宽带极化转换单元的几何相位2α的表达式如下：

31、

32、所述步骤4中计算左旋圆极化波的补偿相位φll和右旋圆极化波的补偿相位φrr的公式如下：

33、

34、其中，k0为自由空间波数，为第m行的第n列的超表面单元结构的位置矢量，表示波束的偏折方向，l为轨道角动量模式，为方位角，

35、所述步骤1中的介质基板2由介电常数2.65，损耗角正切0.001的f4b基板构成；金属层3和金属贴片1均由导电率为5.8×107s/m的金属铜构成。

36、所述步骤2中的n＝6，相邻的宽带极化转换单元间的相位梯度为60°。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

38、1.本发明通过设计双e型宽带极化转换单元结构，调控宽带极化转换单元单元的尺寸参数，实现了对交叉极化分量的相位调控，仅需设计n/2个宽带极化转换单元，再将这n/2个单元沿入射电场极化方向为对称轴镜像翻转即可得到另外n/2个宽带极化转换单元，实现360°的相位覆盖，与现有技术中多参数优化调控同极化分量的传输相位相比，本发明优化变量少，结构简单，极大地降低了设计难度，且宽带极化转换单元的工作频带宽，相对带宽达到90％，具有宽带高效的优点。

39、2.与现有技术中所实现的双圆极化轨道角动量模式对称和偏折方向对称的功能相比，本发明通过分析宽带极化转换单元的琼斯矩阵，调控传输相位和几何相位，实现了双圆极化轨道角动量的模式和偏折方向独立可调的功能，灵活度高，实现了自旋解耦功能，打破了几何相位固有的自旋锁定的限制，扩展了应用范围。

40、3.本发明既适用于球面波入射也适用于平面波入射，扩展了应用范围，可应用于宽带的极化复用技术、多功能集成技术、轨道角动量多路复用通信技术等领域，有利于器件的集成化应用。

41、综上所述，本发明通过构建的双e型宽带极化转换单元结构，同时调控宽带极化转换单元单元的尺寸参数和旋转角度，实现了对交叉极化分量的传输相位和宽带极化转换单元的几何相位的同时调控，仅需设计n/2个宽带极化转换单元，再将这n/2个单元以入射电场极化方向为对称轴镜像翻转即可得到另外n/2个宽带极化转换单元，最终实现轨道角动量oam涡旋波相位调控所需的360°的相位覆盖，得到的超表面阵列结构具有工作频带宽、转化效率高、多功能、性能灵活可控、双圆极化自旋解耦的优点；本发明具有优化变量少，结构简单，设计难度低，加工成本低的特点，有利于批量化生产应用。