本文由論文作者團隊投稿

▎導讀

極化和相位是電磁波的重要屬性，在數據存儲、成像和波束賦形等領域有著廣泛的應用。因此，對電磁波的極化和相位進行自由調控具有重要意義。超表面由于其低剖面、低損耗和易于共型等優勢成為調控電磁波的有前景的平臺。2014 年，東南大學崔鐵軍院士課題組提出了數字編碼和可編程超表面的概念，通過離散化的編碼序列來操縱復雜的電磁波，從而簡化了超表面的設計和優化過程。這一方法引起了國內外學者的廣泛關注。近年來，該團隊提出了時空編碼超表面，實現了同時在時間和空間兩個維度上同時對電磁波進行操控，增加了超表面對電磁波頻率域調控的維度，拓寬其應用范圍。許多研究學者對時空編碼超表面進行了深入的研究，取得了多項引人注目的應用。目前，時空編碼超表面已被用于實現對電磁波多個維度的調控。然而，現有研究中尚缺乏對極化方向的任意調控。

近日，東南大學崔鐵軍院士團隊提出了時空極化編碼超表面的理論及其一般性公式。時空極化編碼超表面在現有時空編碼超表面的基礎上增加了極化方向任意調控的功能。

該成果發表在Light: Science & Applications，題為“Arbitrarily rotating polarization direction and manipulating phases in linear and nonlinear ways using programmable metasurface”。

▎正文

研究團隊提出了一種獨立調控極化和相位的方法，并設計了一個由兩種不同傳輸/反射特性的子結構單元組成的時空極化編碼超表面。通過正交極化方向上的電壓控制反射波的極化方向和相位。反射波的極化方向旋轉范圍可以覆蓋整個方位并且反射相位可以連續調控。

利用空間極化編碼方案實現反射基波的波束方向和極化方向的同時調控，如圖1所示。此外，利用時空極化編碼方案實現非線性反射諧波的波束方向和極化方向的同時調控，如圖2所示。

圖1：y極化波激勵下不同極化反射波的歸一化三維遠場散射圖。(a) 0°，(b) 45°和(c) 90°。極化方向是在與波束傳播方向正交的平面上

圖2：能夠產生不同極化反射波的二維時空極化編碼矩陣。(a) 0°，(b) 45° 和 (c) 90°；在不同極化下，基波、+1和-3諧波處的歸一化遠場散射方向圖測試結果；(d) 0°，(e) 45°和 (f) 90°極化反射波。極化方向是在與波束傳播方向正交的平面上

▎總結與展望

與時空編碼超表面相比，時空極化編碼超表面增加了對極化調控的維度，提高了對電磁波調控的靈活性，并擴展了超表面的應用范圍。盡管當前設計的時空極化編碼超表面工作在微波頻段，但該方法可以擴展到太赫茲甚至光學領域。未來，時空極化編碼超表面在電子對抗、成像和無線通信領域展現出廣闊的應用前景。

▎論文信息

Liu, W., Wang, S.R., Dai, J.Y. et al. Arbitrarily rotating polarization direction and manipulating phases in linear and nonlinear ways using programmable metasurface. Light Sci Appl 13, 172 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01513-2

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