我实验室产出高水平科研成果

近期，天津大学、山西大同大学、桂林电子科技大学、香港大学、美国俄克拉荷马州立大学等多个课题组联合报告了一种基于几何相位的机械式可编程超表面。我实验室科研人员苏晓强、董丽娟、刘利峰和石云龙参与该工作，苏晓强是第一通讯作者。相关工作以Mechanically reprogrammable Pancharatnam–Berry metasurface for microwaves为题，以封面论文形式发表在Advanced Photonics 2022年第1期。该期刊是中科院上海光机所主办，中国激光杂志社与国际光学工程学会（SPIE）联合出版的高水平光学顶刊，该项工作被“爱光学”和“中国激光杂志社”微信公众号同时推送。

该超表面由20×20个超单元构成，每个超单元由一个步进马达、三层传动齿轮组以及16个金属谐振器组成。在上位机的无线信号控制下，每个步进马达可单独带动对应金属谐振器组旋转，进而实现准连续的几何相位控制。研究人员通过可扫描聚焦、涡旋光束、计算全息成像等功能演示了该超表面的实时调控能力和卓越的波前控制能力。

该工作为可编程超表面的设计提供了一种新范式：（1）步进马达的价格远小于PIN二极管和可变电容等电子器件，并且可以借助机械传动同时调控多个金属谐振器，大幅降低了可编程超表面的整体成本和能耗；（2）仅需20×20的像素化相位点阵便可实现高质量的汉字全息成像，证明了准连续的相位控制在整体超表面的波前控制方面的大幅提升，为复杂无线通信系统的信道优化提供了更高的设计自由度；（3）维持固定功能时不需要持续供电，具有非易失特性，更适合用于长时间单一功能待机的应用场景。

机械式超表面的组装与拆分更加灵活，具有可升级特性。未来可以使用更快速的步进马达、更高传送比的齿轮组、更高阶数旋转对称性的金属谐振器来提高几何相位的调控速度。另一方面，机械式超单元内部可以采用非均匀传动比例的齿轮组以及不同的金属谐振器设计，有希望同时实现相位、振幅、偏振的多维度控制，积极推动可编程超表面的相关研究。

可编程超表面在无线信道的动态优化、自适应隐身衣、时空编码通讯等方面具有很大的潜在应用。该工作的理论设计和数值计算主要由天津大学太赫兹研究中心完成，设备组装和测量表征主要由微结构电磁功能材料山西省重点实验室完成，我校本科生贺佳俊、温楼宏、刘玉柱、黄宇聪等参与了实验系统的组装与调试。