基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡及方法
【專利摘要】基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡及方法，涉及基于相位非連續(xù)超表面產(chǎn)生渦旋波束的技術(shù)，為了解決波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，傳統(tǒng)的利用螺旋相位波片產(chǎn)生渦旋波束的方法受厚度的限制的問(wèn)題。該透鏡包括m×n個(gè)周期性排布的相位突變單元，每個(gè)相位突變單元均包括基板和位于基板表面的反Z型金屬層，反Z型金屬層包括金屬條一、金屬條二和傾斜條，以基板的一邊為x軸，與該邊相鄰的邊為y軸，傾斜條的中心線與y軸的夾角為θ，其中l(wèi)為軌道角動(dòng)量數(shù)，圓極化波入射到該透鏡的入射光與當(dāng)圓極化波垂直入射到該透鏡所產(chǎn)生的異常反射光關(guān)于法線對(duì)稱，交叉極化反射波垂直于該透鏡反射，異常反射角本發(fā)明適用于產(chǎn)生渦旋波束。
【專利說(shuō)明】
基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及基于相位非連續(xù)超表面產(chǎn)生渦旋波束的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 帶有軌道角動(dòng)量的電磁波在自由空間傳輸時(shí)表現(xiàn)出一種螺旋形式的波前相位分 布，所以也被稱為渦旋波束。在垂直于渦旋波束傳播方向的橫截面上，電磁波具有和方位角 相關(guān)的相位分布，數(shù)學(xué)表達(dá)式為/氣其中，識(shí)為截面上的相位角，1為整數(shù)(〇、±1、±2···)，1 是軌道角動(dòng)量數(shù)。電磁波的軌道角動(dòng)量特性，具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的渦旋波波束的產(chǎn) 生，是利用螺旋相位波片不同方位角處厚度不同的特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)透射波橫截面上的相位分 布。螺旋相位波片在不同方位角處的厚度為/^?>2可〃-1)，其中 n為螺旋相位波片介質(zhì)材料的 折射率，λ為入射光的自由空間中的波長(zhǎng)。在光波段，由于波長(zhǎng)很短，螺旋相位波片的厚度并 沒(méi)有在其實(shí)際應(yīng)用中帶來(lái)限制。但是在微波以及毫米波波段，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，當(dāng)軌道角動(dòng)量狀態(tài) 數(shù)較大時(shí)，螺旋相位波片的厚度以及其帶來(lái)的重量限制是巨大的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，傳統(tǒng)的利用螺旋相位波片產(chǎn)生渦旋波束的 方法受厚度的限制的問(wèn)題，從而提供基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡及方法。
[0004] 本發(fā)明所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡，包括mXn個(gè)周期性排布的 相位突變單元，m和η均為正整數(shù)；
[0005] 每個(gè)相位突變單元均包括基板和位于基板表面的反Ζ型金屬層，
[0006] 反Ζ型金屬層包括金屬條一、金屬條二和傾斜條，金屬條一和金屬條二平行，傾斜 條連接金屬條一和金屬條二，以基板的一邊為X軸，與該邊相鄰的邊為y軸，傾斜條的中心線 與y軸的夾角為θ
，其中1為軌道角動(dòng)量數(shù)，
，的取值范圍為[0,2 π )，X和y分別為以透鏡的中心為原點(diǎn)、基板中心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。
[0007] 基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的方法，圓極化波入射到該透鏡的入射光與當(dāng)圓 極化波垂直入射到該透鏡所產(chǎn)生的異常反射光關(guān)于法線對(duì)稱，交叉極化反射波垂直于該透 鏡反射，異常反射角I為
[0009] 其中λ〇為入射光的自由空間波長(zhǎng)，m為空氣折射率，νφ為沿X軸分布的相位梯度， 垂直于該透鏡反射的交叉極化反射波即為渦旋波束。
[0010] 本發(fā)明基于相位非連續(xù)人工電磁表面，利用分界面上的相位突變機(jī)制替代電磁波 在傳播路徑上的相位累積，實(shí)現(xiàn)將入射電磁波高效轉(zhuǎn)化為相位可調(diào)的交叉極化反射分量。 通過(guò)引入相位不連續(xù)來(lái)控制反射波的相位分布，高效產(chǎn)生渦旋波束。本發(fā)明為一種在傳輸 方向上為亞波長(zhǎng)尺寸的產(chǎn)生電磁波異常反射渦旋波束的透鏡，具有厚度薄、交叉極化波反 射率高、工作頻帶寬的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)透鏡厚度極限的缺陷。
[0011] 本發(fā)明適用于產(chǎn)生渦旋波束。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是【具體實(shí)施方式】一所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0013] 圖2是【具體實(shí)施方式】二所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0014] 圖3是【具體實(shí)施方式】二的交叉極化波反射系數(shù)曲線圖；
[0015] 圖4為【具體實(shí)施方式】三中的一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的相位突變單元的示意圖；
[0016] 圖5為【具體實(shí)施方式】三中的反射區(qū)域電場(chǎng)相位分布圖；
[0017] 圖6為【具體實(shí)施方式】五中的交叉極化波能量轉(zhuǎn)換效率曲線圖；
[0018] 圖7為【具體實(shí)施方式】五中的xoy平面交叉極化反射波相位分布圖；
[0019] 圖8為【具體實(shí)施方式】五中的xoy平面交叉極化反射波能量分布圖；
[0020] 圖9為【具體實(shí)施方式】五中的X〇Z平面交叉極化反射波能量分布圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0021] 一:結(jié)合圖1具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于反射型超 表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡，包括m X η個(gè)周期性排布的相位突變單元，m和η均為正整數(shù)；
[0022] 每個(gè)相位突變單元均包括基板1和位于基板表面的反Ζ型金屬層2，
[0023] 反Ζ型金屬層2包括金屬條一2-1、金屬條二2-2和傾斜條2-3，金屬條一2_1和金屬 條二2-2平行，傾斜條2-3連接金屬條一2-1和金屬條二2-2，以基板的一邊為X軸，與該邊相 鄰的邊為y軸，傾斜條2-3的中心線與y軸的夾角為Θ，
，其中1為軌道角動(dòng)量數(shù)，
的取值范圍為[0，2π )，X和y分別為以透鏡的中心為原點(diǎn)、基板1中心的橫 坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。
[0024] 通過(guò)一種表面相位非連續(xù)的人工電磁表面，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波反射方向的控制。在 該透鏡的分界面上，橫向方向上存在著常數(shù)的相位梯度，不同位置處的反射波的相位差由 此產(chǎn)生。因此該透鏡在電磁波傳輸方向上的相位差與電磁波在透鏡中傳輸?shù)木嚯x無(wú)關(guān)，即 可以實(shí)現(xiàn)厚度為亞波長(zhǎng)的電磁波調(diào)控器件。
[0025] 對(duì)于分界面上的常數(shù)相位梯度，可以利用引入Pancharatnam-Berry相位的方法來(lái) 實(shí)現(xiàn)。對(duì)于某旋向（左旋或右旋)的圓極化垂直入射波，其反射波電場(chǎng)的表達(dá)式可以表示為：
[0027]
分 別為入射波能量傳輸系數(shù)、右旋圓極化波能量傳輸系數(shù)、左旋圓極化波能量傳輸系數(shù)。tx，ty 分別為相位突變單元對(duì)于沿X軸、Y軸極化的垂直入射線極化電磁波的反射系數(shù)，Φ為該兩 個(gè)線極化電磁波的反射系數(shù)差值。I見(jiàn), >表不入射波的電場(chǎng)的表達(dá)式，|反",>表不反射波電場(chǎng) 的表達(dá)式，| /. >表不左旋圓極化波的電場(chǎng)的表達(dá)式，〃 > 表不右旋圓極化波的電場(chǎng)的表達(dá) 式。
[0028] <α|β>表示α和邱勺內(nèi)積，具體運(yùn)算為，當(dāng)α和β各自代表的極化波的旋向相同時(shí)，<α β>等于1;當(dāng)旋向相反時(shí)，<α|β>等于〇。也就是說(shuō)當(dāng)入射波為右旋圓極化波時(shí)，％等于〇;當(dāng)入 射波為左旋圓極化波時(shí)，％等于〇。9表示相位突變單元的旋轉(zhuǎn)角度，也是傾斜條2-3的中心 線與y軸的夾角。分析上式可以看出，反射場(chǎng)中存在兩個(gè)分量，第一項(xiàng)保持原入射波的旋向， 第二項(xiàng)分量的旋向與入射波的旋向相反(入射波為左旋，則此項(xiàng)分量為右旋，入射波為右 旋，則此項(xiàng)分量為左旋）。其中第二項(xiàng)分量中引入了一個(gè)與相位突變單元旋轉(zhuǎn)的角度Θ大小 有關(guān)的相位改變量2Θ，它的符號(hào)與入射波旋向和單元的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)。
[0029]【具體實(shí)施方式】二：結(jié)合圖2和圖3具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施 方式一所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，基板1 為正方形，邊長(zhǎng)a為16.2mm，金屬條一2-1和金屬條二2-2的長(zhǎng)度L均為9.24mm，寬度wl均為 2.7mm，傾斜條2-3的長(zhǎng)度b為14.88mm，寬度w為0.54mm，相位突變單元的厚度為3mm。
[0030] 相位突變單元的厚度為3mm，是8GHz-12GHz工作帶寬的中心頻率10GHz所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng) 的十分之一，為亞波長(zhǎng)厚度，此相位突變單元對(duì)于圓極化的電磁波具有帶通的傳輸特性。
[0031] 圖3是交叉極化波反射系數(shù)曲線圖，可以看出其諧振頻點(diǎn)在9.35GHz處，在8GHz- 12GHz頻段內(nèi)，交叉極化波反射率在80%以上。
【具體實(shí)施方式】 [0032] 三:結(jié)合圖4和圖5具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施 方式二所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，mXn 是矩形陣列，沿X軸正方向的同一周期內(nèi)、相鄰相位突變單元的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度為V6,以逆時(shí) 針?lè)较驗(yàn)檎?，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)。
[0033] 對(duì)于具有水平相位梯度的透鏡，如圖4所示，反射場(chǎng)中存在兩種不同旋向的分量， 其中保持入射圓極化波旋向的分量傳播方向符合傳統(tǒng)的反射定律，入射光與反射光分布在 法線兩側(cè)，且各自與法線所成的夾角相等；與入射圓極化波旋向相反的分量傳播方向不符 合傳統(tǒng)的反射定律，將不符合傳統(tǒng)的反射定律的光稱為異常反射光，異常反射光與法線的 夾角為異常反射角。
[0034] 對(duì)于右旋圓極化垂直入射的電磁波，反射場(chǎng)中含有兩個(gè)分量，旋向分別為左旋和 右旋，左旋分量會(huì)引入一個(gè)為2Θ的相位差。圖3為一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期中的相位突變單元，沿X軸正 方向的同一周期內(nèi)、相鄰相位突變單元的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度為Ji/6。這樣對(duì)于右旋圓極化入射 波，此人工結(jié)構(gòu)表面具有▽屯=神/& = 2冗/(6勾的常數(shù)相位梯度，異常反射角0:和入射角 Qi存在如下關(guān)系：
，其中λ〇為入射光的自由空間波長(zhǎng)，m為空氣 折射率，▽!>為沿X軸分布的相位梯度。當(dāng)入射光的頻率為10GHz時(shí)異常反射角度為：
[0036] ko為入射光的自由空間中的波矢量。
[0037]圖5為仿真得到的反射區(qū)域電場(chǎng)相位分布圖，可以看出，左旋分量的反射角為18°， 與理論計(jì)算結(jié)果相符。
[0038]同理可計(jì)算左旋圓極化垂直入射的電磁波的異常反射角度，其異常反射光與右旋 圓極化垂直入射的電磁波的異常反射光關(guān)于法線對(duì)稱。
【具體實(shí)施方式】 [0039] 四：本實(shí)施方式是對(duì)三所述的基于反射型超表面產(chǎn)生 渦旋波束的透鏡作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，金屬層2為銅層。
【具體實(shí)施方式】 [0040] 五:結(jié)合圖6至圖9具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施 方式四所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，m和η 均為25。
[0041]取軌道角動(dòng)量數(shù)1為2,在垂直入射的情況下，得到的交叉極化波能量轉(zhuǎn)換效率結(jié) 果如圖6所示，在8.5GHz-l 1.5GHz頻段內(nèi)，交叉極化波能量轉(zhuǎn)換效率在64 %以上，同時(shí)表明 交叉極化波反射率在80 %以上。
[0042] 當(dāng)圓極化波以18°的入射角度斜入射時(shí)，仿真結(jié)果如圖7至圖9所示，交叉極化反射 波能很好地達(dá)到垂直反射效果，在垂直于波束傳播方向的截面內(nèi)，波的相位變化范圍為牡， 表示攜帶了 1 = 2的軌道角動(dòng)量，波陣面成渦旋分布。圖7為xoy平面交叉極化反射波相位分 布圖，圖8為xoy平面交叉極化反射波能量分布圖，圖9為 X〇Z平面交叉極化反射波能量分布 圖。
[0043] 【具體實(shí)施方式】六:采用上述任意一項(xiàng)實(shí)施方式所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋 波束的透鏡產(chǎn)生渦旋波束的方法，圓極化波入射到該透鏡的入射光與當(dāng)圓極化波垂直入射 到該透鏡所產(chǎn)生的異常反射光關(guān)于法線對(duì)稱，交叉極化反射波垂直于該透鏡反射，異常反 射角I為
[0045]其中λο為入射光的自由空間波長(zhǎng)，m為空氣折射率，為沿X軸分布的相位梯度， 垂直于該透鏡反射的交叉極化反射波即為渦旋波束。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡，其特征在于，包括mXn個(gè)周期性排布的相 位突變單元，m和η均為正整數(shù)； 每個(gè)相位突變單元均包括基板(1)和位于基板表面的反Z型金屬層(2)， 反Z型金屬層(2)包括金屬條一(2-1)、金屬條二(2-2)和傾斜條(2-3)，金屬條一(2-1) 和金屬條二(2-2)平行，傾斜條(2-3)連接金屬條一(2-1)和金屬條二(2-2)，以基板的一邊 為X軸，與該邊相鄰的邊為y軸，傾斜條(2-3)的中心線與y軸的夾角為，其中1為 軌道角動(dòng)量Ij^的取值范圍為[〇,2π)，χ和y分別為以透鏡的中心為原點(diǎn)、 基板(1)中心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡，其特征在于，基板 (1) 為正方形，邊長(zhǎng)a為16.2mm，金屬條一（2-1)和金屬條二（2-2)的長(zhǎng)度L均為9.24mm，寬度 wl均為2.7mm，傾斜條（2-3)的長(zhǎng)度b為14.88mm，寬度w為O .54mm，相位突變單元的厚度為 3mm 〇3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡，其特征在于，m X η是 矩形陣列，沿X軸正方向的同一周期內(nèi)、相鄰相位突變單元的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度為V6,以逆時(shí)針 方向?yàn)檎?，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡，其特征在于，金屬層 (2) 為銅層。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡，其特征在于，m和η均 為25。6. 采用上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的基于反射型超表面產(chǎn)生渦旋波束的透鏡產(chǎn)生渦 旋波束的方法，其特征在于，圓極化波入射到該透鏡的入射光與當(dāng)圓極化波垂直入射到該 透鏡所產(chǎn)生的異常反射光關(guān)于法線對(duì)稱，交叉極化反射波垂直于該透鏡反射，異常反射角 Θ Γ為其中λο為入射光的自由空間波長(zhǎng)，m為空氣折射率，為沿X軸分布的相位梯度，垂直 于該透鏡反射的交叉極化反射波即為渦旋波束。
【文檔編號(hào)】H01Q15/08GK106025566SQ201610369753
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】張狂, 楊海棠, 丁旭旻, 吳群
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)