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Laser & Photonics Reviews:基于人工表面等离激元的涡旋波辐射器 崔铁军

近年来,具有轨道角动量的涡旋光在光学显微、显微操作、超分辨率成像以及量子信息技术等方面获得广泛应用。随着研究的深入,轨道角动量的概念逐渐被扩展到微波和太赫兹频段,不同轨道角动量模式之间的独立性使其在无线通信系统中可能发挥重要作用。因此,微波和太赫兹频段的涡旋电磁波引起了学术界和工业界的广泛关注,而如何在微波和太赫兹频段产生具有轨道角动量模式的涡旋电磁波就成为研究重点。

目前,很多文献提出了产生涡旋电磁波的不同方法与途径,例如旋转相位板、阵列天线等。尽管这些方法的理论基础已经近乎完备,但是小型化和低成本一直是涡旋波辐射器的瓶颈。电磁超表面的引入,使得涡旋波辐射器的研究进入了新阶段。通过优化电磁超表面单元结构的排列方式,可对与电磁超表面接触的电磁波进行全相位调控,进而使电磁波携带轨道角动量模式。单谐振腔由于其简单的结构和加工过程,吸引了越来越多的注意。单谐振腔所支持的回音廊模式在特定情况下与辐射模式相互作用,也能实现涡旋电磁波的辐射。另外,半模基片集成波导也可以用来产生涡旋电磁波。值得注意的是,目前这些产生涡旋电磁波的结构均是以附加元件的形式被放置在系统中的,这对于系统集成来说是不利的,会造成系统体积过大。这一点在光学系统中可以忽略,但在低频系统中仍然非常关键。同时,轨道角动量模式的控制及多模式的产生也是亟待解决的另一关键问题。

Laser & Photonics Reviews:基于人工表面等离激元的涡旋波辐射器   崔铁军


Laser & Photonics Reviews:基于人工表面等离激元的涡旋波辐射器   崔铁军


1.基于人工表面等离激元的涡旋波辐射器(上图)可在不同频率下产生不同模式的涡旋电磁波(下图)。


为解决这些问题,东南大学崔铁军教授课题组(第一作者为博士生尹佳媛,现在西安电子科技大学任教)提出一种新颖的基于人工表面等离激元的涡旋电磁波产生方法。人工表面等离激元在微波器件小型化、保持信号完整性等方面具有独特优势。该方法利用人工表面等离激元传输线上电磁波的相位变化,结合圆形谐振器对电磁波的耦合及对其相位调控,实现了涡旋电磁波的辐射。得益于人工表面等离激元随频率变化的传播常数,所提出的设计在无需改变辐射器结构的情况下,可在不同频率辐射携带不同轨道角动量模式的涡旋电磁波,且在每一个谐振频率处所得到的涡旋电磁波的轨道角动量模式纯度都很高。与已有的涡旋电磁波产生方法相比,该设计在小型化、模式调控自由度方面均存在优势,将在未来无线通信系统和集成电路中发挥巨大作用。相关文论发表在Laser & Photonics ReviewsDOI: 10.1002/lpor.201600316)上。




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