双面超构表面及电磁波双向任意调控研究

Metasurfaces, with peculiar capability of manipulating electromagnetic (EM) wave, have showcased potential applications in improving and even reforming the EM information techniques. Metasurfaces can be designed to integrate EM functions, and show full control of EM wave phase, amplitude and polarization. However, up to now, the propagation direction, as an intrinsic property of EM wave, has not yet been fully utilized. This project is trying to carry out fundamental studies on how to utilize the “functional element structure with construction sequence” to solve problems that cannot be resolved by conventional material or method, and explore new concept, new idea, as well as new method. By employing the concept of “Janus material” into EM metasurface designs, we will propose the concept and design method of artificial asymmetric propagation function elements, and develop Janus metasurfaces with proper construction sequences to expand the mechanism of bi-directional manipulation of EM wave phase and wavefront. Utilizing the intrinsic property of wave propagation direction, we will realize directionally selective multi-function metasurfaces, providing multiple EM wave controls through direction-multiplexing. As device applications, we will focus on new ideas and new methods based on the Janus metasurface concept, such as arbitrary asymmetric EM wave focusing, asymmetric bi-directional lenses, asymmetric bi-directional holography, etc.

电磁超构表面由于其对电磁波独特的调控能力，有望提升甚至是颠覆传统电磁信息技术，展现出良好的应用前景。目前超构表面可实现对电磁功能的集成，展示了对电磁波相位、幅值、极化等特性的全面调控。但是，就目前而言，电磁波传播方向这一固有特性还未得到有效利用。本项目围绕重大研究计划指南，从“功能基元+序构”的基础科学问题出发，探索出解决现有材料或传统方法难以克服之难题的新概念、新思路和新方法，拟将材料研究中双面（Janus）材料的概念有机地引入到电磁超构表面设计中，人工构建双面电磁波非对称传播功能基元，以拓展电磁波相位和波前双向调控机制，并通过合理的序构形成新型双面电磁超构表面。利用电磁波传播方向这个固有特性，实现多种电磁调控功能的方向性复用，形成具有方向选择性的多功能电磁超构表面，为多功能电磁器件的设计提供新思路与新途径，实现电磁波双向任意非对称聚焦、双向透镜、非对称全息成像等功能，并探索其应用途径。

电磁超构表面由于其对电磁波独特的调控能力，有望提升甚至是颠覆传统电磁信息探测、传输、处理、重现技术，展现出良好的应用前景。但是，就目前而言，电磁波传播方向这一固有特性还未得到有效利用。在现有的设计中，绝大多数超构表面均关于传播方向对称，因而当电磁波入射方向发生变化时，超构表面一般仅能实现相同的电磁调控功能。本项目围绕重大研究计划指南，从“‘功能基元+序构’的基础科学问题出发，探索解决现有材料或传统方法难以克服之难题的新概念、新思路和新方法”，将材料研究中双面（Janus）材料的概念有机地引入到电磁超构表面设计中，人工构建了双面电磁波非对称传播功能基元，拓展了电磁波相位和波前双向调控机制，并通过合理的序构形成了双面电磁超构表面新概念和相关设计方法。首先，利用电磁波传播方向这个固有特性，实现了相位、极化、频率等电磁调控的方向性复用，形成了具有方向性选择的多功能电磁超构表面，为多功能电磁器件的设计提供新思路与新途径，实现了电磁波双向任意非对称聚焦、双向透镜、非对称全息成像等功能，并探索了其应用途径；其次，开展了有源双面超构表面的研究，通过在双面超构表面单元中引入有源可控元件，实现了单向电磁波传播的切换，构建了可切换的双向四态可调功能基元，据此设计的可调双面超构表面实现了四种双向传播状态；最后，将双面超构表面的概念与设计方法拓展到更高频率的太赫兹频段，设计了太赫兹双面超构表面，设计了具有双向全息成像功能的太赫兹双面超构表面，实验验证了双面超构表面所具有的双向全息成像功能。太赫兹双面超构表面将在太赫兹探测、太赫兹成像等方面具有良好的应用前景。项目累计发表SCI 收录期刊论文26篇，EI收录国际会议论文14篇，包括应国际核心期刊J. Phys. D. 邀请撰写发表题为“A review of recent progress on directional metasurfaces: concept, design, and application”的综述文章一篇。发明专利授权7项，专利技术成果许可2项。一项成果获得2021年度陕西省自然科学一等奖。培养博士研究生10名，硕士研究生5名。