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光學工程
超構材料的信息化表征

 超構材料(Metamaterial)是一種由亞波長單元結構周期或非周期性地排布而形成的人工復合材料。其具有超常的電磁特性,與電磁波及光波相互作用后會產生很多奇特的物理現象,例如負折射、完美隱身、異常反射和異常折射等。

由于結構單元的亞波長特征,超構材料可由連續的(均勻或非均勻)等效媒質參數來描述。從電路角度來看,這類超構材料與模擬電路類似,因此又被稱為模擬超構材料。模擬系統的缺點是,當系統結構變得復雜時,其分析與設計的難度也隨之提高。

以二值數字邏輯為基礎的數字系統在多個方面具有模擬系統不能比擬的優勢,例如不易受噪聲干擾、允許元器件參數在一定范圍內變化等。更重要的是,由于具有邏輯運算和邏輯處理功能,數字系統通過邏輯上的組合搭配便可形成一系列具有不同功能的電子器件。

為了實現“數字版”的超構材料,東南大學崔鐵軍教授團隊于2014年提出了一種新型的基于數字編碼序列來調控電磁波的編碼超構材料。由于構成編碼超構材料的基本單元的電磁特性采用二進制數值來表征,且可通過數字電平0和1來調控,因此也被稱為“數字超構材料”。

通過將預先設計的二進制編碼序列輸入到現場可編程門陣列(FPGA),便可實時地對電磁波進行調控,形成現場可編程超構材料(Cui, et al., Light Sci. Appl. 3, e218, 2014)。編碼超構材料的概念隨后被推廣到太赫茲波段:利用閔可夫斯基分形結構和圓環結構實現多比特位的編碼超構材料,進而對太赫茲波進行靈活調控(Gao, et al., Light Sci. Appl. 4, e324, 2015; Liang, et al., Adv. Opt. Mater. 4, 1374-1380, 2015)。


圖1 (a)太赫茲各向異性編碼超構材料;(b)編碼超構表面的香農信息熵;(c)編碼超構表面的數字卷積運算可實現對太赫茲波束的靈活連續調控。

然而,上述編碼超構材料是各向同性的,其電磁特性與功能不隨極化方向的變化而改變。近日,崔鐵軍教授團隊在太赫茲波段提出了一種全新的各向異性編碼超構材料[1],其結構單元在x極化和y極化電磁波的照射下呈現獨立的數字態,通過賦予整個超構材料陣列相應的各向異性數字編碼,便可使其在x極化和y極化電磁波的照射下表現出對太赫茲波完全不同的調控功能。如圖1(a)所示,在垂直入射條件下,y極化太赫茲波產生雙波束反常反射,而x極化太赫茲波產生四波束反常反射。

該理念可直接推廣到微波、紅外和可見光頻段,使其在更多領域發揮潛在的應用價值。例如,在無線通信領域,可將所傳送的信息加載在相互垂直極化的電磁波上,從而增大其傳輸容量;在可見光波段,如果藍光光盤中每個存儲點都采用類似的各向異性結構,那么每個存儲點的存儲信息量將成倍增加;在數字全息領域,一張全息像中將攜帶x極化和y極化下的圖像,有助于實現視覺三維成像。

由于編碼超構材料基于全數字表征與分析,因此自然建立起超構材料與信息科學結合的紐帶,使人們有機會從信息科學的角度重新審視、研究和設計超構材料。崔鐵軍教授課題組首次將香農信息熵的概念引入超構材料,定義了超構材料及超構表面的信息熵及其物理信息熵[2]。他們將原本通信系統中用于評價信源不確定度的物理量來定量評估編碼超構材料所攜帶的信息量(圖1(b)),并揭示了超構材料編碼圖案的幾何信息熵與遠場方向圖的物理信息熵之間的近似正比關系。這一發現解釋了現場可編程超構材料實現單天線、點頻、不掃描微波成像的機理,并有助于推進編碼超構材料在新型無線通信和雷達探測等領域的應用。

數字編碼的表征方式為在超構表面上進行數字信號處理運算奠定了基礎。崔鐵軍教授課題組率先提出在超構表面上進行數字卷積以自由操控電磁波的新方法,僅采用有限個狀態的編碼單元即可實現連續的角度掃描[3]。得益于編碼超構表面的數字編碼與其遠場方向圖之間的傅里葉變換關系,可將信號處理中的卷積定理應用于遠場方向圖的偏轉。在已有編碼圖案上疊加一個梯度編碼序列,就能將其遠場方向圖朝著任意的設計方向無失真地偏轉,其機理類似于傅里葉變換中將基帶信號搬移到高頻載波的過程。

可以預見,更多信息科學的理論與算法將直接應用于編碼超構材料的分析與設計,不僅極大地降低了超構材料的設計難度,而且將帶來一系列新奇發現與應用,進一步體現數字編碼超構材料與信息科學結合的優勢。

該系列工作由于其開創性被美國光學學會《Optics & Photonics News》遴選為“Optics in 2016”的30項成果之一;超構表面信息熵被中國科學院《National Science Review》(IF 8.0)遴選為Research Highlight;編碼超構表面的數字卷積運算工作被《Advanced Science》選為封面論文,并被“Materials Views中國”以“編碼超表面的卷積運算可實現對太赫茲波束的靈活連續調控”為題進行了專題報道。


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