基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法技术

本发明专利技术提供一种基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法，该方法可以用于设计宽带涡旋光产生器，包括如下步骤：理论推导了当两个线极化间相位差满足|φ

【技术实现步骤摘要】
基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法
本专利技术涉及通讯
，尤其涉及一种基于非均匀透射宽带PB(Pancharatnam–Berry)超表面的设计方法。
技术介绍
透射体系的入射波和透射波在物理空间上是分开的，因此避免了反射体系存在的馈源遮挡、反射波与入射波会相互干涉等不利因素，在实际应用中更为便利、实用性更强，但透射体系是一个双端口通道，我们不但要关注透射波，同时还要关注反射波，所以透射型超构表面设计起来更为复杂，而如何实现高效透射超构表面则更是亟需解决的重要难题。涡旋光是指一类光束携带的相位因子，波前沿传播方向螺旋前进，且在传输过程中中心的光强为零的独特电磁光束。凭借着独特的电磁特性，其在光学、原子物理学以及通信领域的潜在应用引起了研究者们的关注。因为不同拓扑荷数的涡旋光束之间是相互正交的，因此每一个不同拓扑荷数的涡旋光束都可以作为一个独立的信号通道来传输信号，而理论上涡旋光束有无数种正交的轨道角动量，这就为大幅度提高光通信容量提供了巨大的潜力，为实现轨道角动量复用的自由空间光通信提供了基础，同时涡旋光在信息编码中的应用也使得被编码的信息保密性更强，传输的过程更安全；利用光束的轨道角动量对微粒进行捕获时，弥补了传统方法中对粒子折射率的要求，也减少了微粒的伤害，为轨道角动量在光镊技术中的应用奠定了坚实的基础。透射涡旋光由于受到透射体系带宽和效率的影响，严重制约了其现实应用，如何实现宽带高效的透射涡旋光产生器成为科学家们面临的重要课题。因此，有必要提供一种新的基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术存在的缺陷，首次建立了非均匀厚度多层几何透射体系的高效工作理论，实现了透射几何超构表面的宽带化和高效化。本专利技术提供了基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法，该方法可以用于设计宽带涡旋光产生器，包括如下步骤：S1、理论推导了当两个线极化间相位差满足|φx-φy|＝π且透射幅度满足|Tx|＝|Ty|＝1时，可以实现PB单元的高效透射，建立了宽带PB超表面工作方程为其中fi为f1到f2频率范围内的任一频率，表征左旋圆极化波激励时右旋圆极化波的透射相位，也就是说超表面具有一致的相位变化率；S2、提出了采用非均匀厚度结构调控透射波幅度和相位的方法，非均匀厚度体结构在通带内透射幅度变化更平稳，且非均匀厚度体系具有更大的带宽，基于该方法制备了宽带非均匀PB透射单元，宽带非均匀PB透射单元中三层空气层厚度分别为h1＝4mm，h2＝6mm和h1＝4mm，在8.5-10.5GHz范围内透射相位满足透射率达到了0.8以上；S3、基于宽带非均匀PB透射单元，分析了涡旋光产生器表面的相位分布方程，并设计和制备了宽带透射涡旋光产生器；S4、提出了宽带透射涡旋光产生器近场和远场实验测试方法，涡旋光产生器的近场效应中可以看到清晰的涡旋臂，且法向辐射深度优于-15dB；S5、建立了涡旋光产生器的效率评估方法，设计的涡旋光产生器中心频率效率达到了72％，在8.5-10.5GHz范围内超过了65％。优选的，宽带非均匀PB透射单元由四层相同的单元构成，每层单元由介质层和上面附着的金属谐振结构构成，介质层采用厚度h1＝0.2mm，εr＝2.65，tanδ＝0.005的F4B基板，金属谐振结构为正交十字型结构，正交十字型结构是一种各向异性结构，具有良好的极化隔离度，用于调控不同极化状态时的介电常数参数。优选的，由于宽带非均匀PB透射单元具有良好的极化隔离性，因此可以通过固定十字结构中的一个臂，调节另一个臂的长度来优化透射相位，当变化一个臂长度满足相位差为±180°时，将这两个长度分布取为两个臂的长度，即实现了|φx-φy|＝π的高效条件。优选的，所述宽带透射涡旋光产生器采用口半径仅为15mm的阿基米德螺旋天线作为馈源。优选的，制作出的宽带透射涡旋光产生器由14×14个宽带非均匀PB透射单元构成，形成了一个182mm×182mm的方形阵列，将四层相同的超表面按照单元设计时的4mm、6mm、4mm的间距用纸板固定，通过将阿基米德螺旋天线放置在超表面的焦点处，组装成宽带透射涡旋光产生器，阿基米德螺旋天线由厚度为80mm的泡沫固定和支撑。与相关技术相比，本专利技术首先基于琼斯矩阵从理论上推导了透射PB单元在宽带范围内的高效实现条件；首次提出了采用厚度因素调控透射超表面幅度和带宽的思想，设计的四层非均匀厚度透射几何单元，显著抑制了多层结构的透射幅度的波动性，改善了透射单元的效率，在8.5-10.5GHz范围内透射率达到了0.8以上。然后在阿基米德螺旋天线的激励下，基于该单元研制了透射涡旋光产生器。实验结果表明，该器件效率最高达到了72.1％，工作带宽达到了21％。基于该单元设计的涡旋光产生器具有带宽大、圆极化纯度高、效率高等优良性能，为宽带涡旋光产生器的研制提供了新的研究思路。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1为基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法PB超表面结构示意图。其中图1(a)为旋转前结构示意图；其中图1(b)为旋转后结构示意图；图2为本专利技术基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法中正交十字型单元的拓扑结构的(a)主视图和(b)侧视图；图3为本专利技术基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法中单元特性示意图，其中，图3(a)为极化隔离度分析示意图；图3(b)为x极化波与y极化波垂直入射条件下透射波幅度示意图；图3(c)为x极化波与y极化波垂直入射条件下透射波相位示意图；图3(d)为圆极化波入射下单元旋转角度θ时对应的透射系数和透射相位示意图；图4为本专利技术基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法中透射超构表面上相位分布示意图；其中图4(a)为聚焦表面的相位分布示意图，图4(b)为螺旋相位板相位分布示意图和图4(c)为涡旋光产生器相位分布示意图；图5为本专利技术基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法中加工样品和实验装置示意图；其中图5(a)为近场测试方法示意图，图5(b)为加工的超构表面样品图；图6为本专利技术基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法中近场测试结果示意图；其中图6(a)为幅度图，图6(b)为电场实部场图和图6(c)为相位分布；图7为基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法中FDTD仿真得到三维远场分布示意图；其中图7(a)为总体图，图7(b)为右旋分量示意图和图7(c)为左旋分量示意图；图8为本专利技术基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法中仿真和测试得到的二维远场分布图；其中图8(a)为8.5GHz，(b)为9GHz，(c)为9.5GHz，(d)为10GHz，(e)为10.5GHz和(f)为11GHz。具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法，其特征在于，该方法可以用于设计宽带涡旋光产生器，包括如下步骤：/nS1、理论推导了当两个线极化间相位差满足|φ

【技术特征摘要】
1.一种基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法，其特征在于，该方法可以用于设计宽带涡旋光产生器，包括如下步骤：
S1、理论推导了当两个线极化间相位差满足|φx-φy|＝π且透射幅度满足|Tx|＝|Ty|＝1时，可以实现PB单元的高效透射，建立了宽带PB超表面工作方程为其中fi为f1到f2频率范围内的任一频率，表征左旋圆极化波激励时右旋圆极化波的透射相位，也就是说超表面具有一致的相位变化率；
S2、提出了采用非均匀厚度结构调控透射波幅度和相位的方法，非均匀厚度体结构在通带内透射幅度变化更平稳，且非均匀厚度体系具有更大的带宽，基于该方法制备了宽带非均匀PB透射单元，宽带非均匀PB透射单元中三层空气层厚度分别为h1＝4mm，h2＝6mm和h1＝4mm，在8.5-10.5GHz范围内透射相位满足透射率达到了0.8以上；
S3、基于宽带非均匀PB透射单元，分析了涡旋光产生器表面的相位分布方程，并设计和制备了宽带透射涡旋光产生器；
S4、提出了宽带透射涡旋光产生器近场和远场实验测试方法，涡旋光产生器的近场效应中可以看到清晰的涡旋臂，且法向辐射深度优于-15dB；
S5、建立了涡旋光产生器的效率评估方法，设计的涡旋光产生器中心频率效率达到了72％，在8.5-10.5GHz范围内超过了65％。


2.根据权利要求1所述的基于非均匀透射宽带PB超表面的设计方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾冰，张屾，
申请(专利权)人：陕西宛鸣信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61