【原创综述】电磁超材料发展概述-3/3

前言:在前两节(发展阶段一发展阶段二),超材料分析和设计主要集中在模拟域,本节我们借助数字化手段进一步认识超材料 。

关键词:超表面,广义反射/折射定律,相位梯度超表面,超材料惠根斯表面,数字超材料,计算成像,无线能量传输

meta_review_3

[来源: www.shutterstock.com]

电磁超材料发展阶段三

从左手传输线理论到变换光学理论,科学家主要采用连续渐变的媒质参数(等效电导率和等效磁导率参数)来模拟表征超材料,设计出完美透镜、隐身斗篷等。有连续就有离散,有模拟就有数字,新的超材料研究热点应运而生,即兼具低剖、可调谐优点的超表面。超表面(Metasurface)是由具有特殊电磁属性的“人工原子”按照一定的排列方式组成的二维平面结构,可实现对入射波的振幅、相位、偏振等灵活的调控,具有强大的场操控能力。

超表面设计的理论基础主要有传统的周期电磁理论(floquet theory, phased array theory)、惠根斯等效原理以及最新发展的广义反射/折射定理。2011年,美国哈佛大学F. Capasso教授研究组在《Science》杂志上一篇颠覆经典折射定律(斯涅耳定律)的论文[1],他们发现不同材料交界面处引入相位突变(亚波长尺度不连续结构)可实现超常折射,并进行了实验验证,提出广义反射和折射定理(单引3795次,2019.11.03,Google学术)。

运用上述理论,科学家通过特殊设计的薄层PCB结构实现对空间电磁波的灵活调控,相继提出相位梯度超表面(Gradient-index metasurface)和超材料惠根斯表面(Metamaterial Huygens’ Surfaces)[2-3]。其中相位梯度超表面由复旦大学周磊教授团队提出,通过巧妙的相位梯度渐变设计,引导自由空间传输的电磁波沿物体表面传播,表面波转换效率接近100%[2]。

超材料惠根斯表面由密歇根大学Grbic教授团队提出,通过特殊的二维电磁薄层结构,构造面向波束赋形、偏折、聚焦等应用的透射式电磁超材料[3]。P.S. 2017年南京大学冯一军教授团队研制了一种可重构有源惠更斯超透镜,可对电磁波进行任意动态聚焦,详见A Reconfigurable Active Huygens’ Metalens,Advanced materials, 2017, 29(17).

紧接着,超材料的又一个重要分支出现了。2014年,美国宾夕法尼亚大学Engheta教授联合澳大利亚科学家在《Nature-Materials》期刊上发文提出 “数字超材料”的概念[4], 即将两种具有不同介电常数的元素材料,称之为“超材料位”,通过适当的空间混合实现等效介电常数不同于原材料的特定超材料,称之为“超材料字节”,最终实现类似连续材料分布的电磁波调控效果。

与此同时,东南大学崔铁军教授团队在《Light: Science & Applications》期刊发表论文提出了一种更易于实现和应用的“数字超材料”,根据超材料对空间电磁波相位和幅度的响应特性进行数字化表征(例如反射条件下,“0”表示相位差0,“1”表示相位差PI),同时通过外加偏置实时控制包含半导体器件的超材料周期单元,实现类似数字编码和现场编程的电磁波调控效果,因此也称“数字编码和可编程超材料”[5]。

在超材料设计技术得到革新的同时,超材料应用技术更是得到广泛关注。例如超材料天线、透镜、隐身、成像、能量传输、通信以及一些新的非线性功能器件(非互易、谐波生成等)。从工程应用角度来看,超材料天线技术最为通用,相关论文专利举不胜举,重点可以关注成熟的商业产品(例如kymeta、metawave、pivotal commware三家公司,后期会专门给大家总结)。对于其他应用,受限于篇幅,仅选取成像和能量传输给大家介绍。

先介绍超材料成像相关工作。2013年,Smith教授团队在《Science》发表了利用超材料孔径进行计算成像的论文[6](CSDN网站有中文翻译版),他们设计了工作在K波段(18 – 26GHz)的电可调超材料天线(漏波天线),通过外加偏置改变漏波天线的方向图获得了10帧每秒的二维空间成像(方位和角度),论文下载网站附有测试录像。

2014年,他们改进了天线和算法,采用两个单刀六掷的超材料天线发射信号,一个类似波导同轴的装置(低增益喇叭天线)接收信号,借助微波全息成像的算法对三维目标进行成像[7]。这种通过线馈方式的超材料计算成像无需透镜聚焦、无需移相器、无需机械扫描装置,而且具有低剖面特性,相比传统成像技术具有优越性。

除了线馈的方式,2016年东南大学崔铁军教授团队在《Scientific Reports》发表了利用空馈方式进行超材料成像的工作,成像系统更加精简[8]。他们采用常规喇叭天线发射连续波,天线口面覆盖两比特(周期单元00,01,10,11四个状态)的可编程超材料,通过改变超材料表面数字编码状态,得到一些列不同的空间辐射方向图,进而对特定二维平面目标区域进行成像,并在9.2 GHz进行了实验验证,效果良好。

2019年,北京大学李廉林教授(与崔铁军教授合作)将微波成像与机器学习相结合,实现了基于可编程超材料的实时成像系统[9],相关成果发表在《Nature-Communications》上。成像系统工作在3.2 GHz附近,可编程超材料为2比特,测量数据获取时间为16ms,通过前期有效的样本数据训练,系统可以较好地捕获测试对象的相关行为。

无线能量传输方面,早在2011年前后,相关学者就已设计出超材料透镜,用于改善基于磁耦合的无线功率传输效率,效果比较显著,但是工作频率太低(数十兆赫兹),近传输距离限制了其应用。2017年,Smith团队提出利用动态超表面口径进行射频段的功率传输方案[10],可以显著地提高传输距离和抑制无关区域电磁辐射。简单来说,超材料相当于一个动态可调的反射板,可对入射波进行的波束偏折和聚焦,实现类似无线通信中继器的效果,主要区别是信号功率电平高低。

超材料研究内容十分丰富(每个方向大家稍微深挖一下,几十上百篇参考文献不成问题),相关review论文动辄几十上百页,对于入门者来说实在是有点尴尬。在此通过三期连载的介绍给大家做一个总体了解和入门指导,总结不到位的地方还请大家谅解和指正,祝大家在超材料学习路上收获满满。

在介绍结束之前,再跟大家分享一些国内外超材料领域的知名教授和研究小组,方便大家选择相关课题研究或跟踪相关前言研究。

(1)杜克大学 (Duke University) Smith教授 (P.S. 商业化范例)

(2)宾夕法尼亚大学 (University of Pennsylvania) Engheta教授 (P.S. 可以关注超材料求解方程工作)

(3)纽约市立学院 (The City College of New York) Alu教授(P.S. 方向很多)

(4)哈佛大学 (Harvard University) Capasso教授

(5)多伦多大学 (University of Toronto) Eleftheriades教授 (P.S. Projects页面pdf总结不错,可下载)

(6)蒙特利尔大学 (Université de Montréal) Caloz教授(P.S. 特别擅长理论)

(7) 圣迭戈加利福尼亚大学 (University of California, San Diego) Sievenpiper教授 (P.S. 非线性超材料工作)

(8)清华大学周济教授、中科院罗先刚研究员、东南大学崔铁军教授、复旦大学周磊教授、南京大学冯一军/金彪兵教授、清华大学杨帆教授等,更多相关学者见月底召开的《第一届全国超材料大会》专家名单(网上已公开):)

精选参考文献

[1] Yu N,. Genevet P., Kats M. A., et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction [J]. Science, 2011, 334(6054).

[2] Sun, S., He, Q., Xiao, S., Xu, Q., et al. Gradient-index meta-surfaces as a bridge linking propagating waves and surface waves [J]. Nature materials, 2012, 11(5).

[3] Pfeiffer C., Grbic A. Metamaterial Huygens’ surfaces: tailoring wave fronts with reflectionless sheets [J]. Physical review letters. 2013, 110(19).

[4] Della G. C., Engheta N. Digital metamaterials[J]. Nature Materials, 2014, 13(12).

[5] Cui T. J., Qi M. Q., Wan X., et al. Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials [J]. Light: Science & Applications, 2014, 3(10).

[6] Hunt, J., Driscoll, T., Mrozack, A., et al. Metamaterial apertures for computational imaging [J]. Science, 2013, 339(6117).

[7] Hunt, J., Gollub, J., Driscoll, T., Lipworth, et al. Metamaterial microwave holographic imaging system [J]. JOSA A, 2014, 31(10).

[8] Li, Y. B., Li, L. L., Xu, et al. Transmission-type 2-bit programmable metasurface for single-sensor and single-frequency microwave imaging. Scientific reports, 2016, 6.

[9] Li, L., Ruan, H., Liu, C., Li, et al. Machine-learning reprogrammable metasurface imager [J]. Nature communications, 2019, 10(1).

[10] Smith, D. R., Gowda, V. R., Yurduseven, O., et al. An analysis of beamed wireless power transfer in the Fresnel zone using a dynamic, metasurface aperture [J]. Journal of Applied Physics, 2017, 121(1).

—————申明——————–

原创不易,欢迎分享,转载请注明作者和出处:useful2you,有点小用吧(公众号useful4you)

—————————————-

发表评论

电子邮件地址不会被公开。

Alexa