具有宽带高效率几何相位操控特性的光学透明超表面

《Optics & Laser Technology》：Optically transparent metasurface with broadband and high-efficiency geometric phase manipulation

　　邵琳达 | 王一锋 | 李振飞 | 王雄 | 王楠 | 朱伟仁
上海大学微电子学院，上海，201800，中国

**摘要**
近年来，基于氧化铟锡（ITO）薄膜的光学透明超表面因其显著的光学和电磁特性而受到广泛关注。本文提出了一种基于Pancharatnam–Berry相位的宽带微波光学透明ITO超表面，用于高性能波束聚焦，其工作频率范围为10.8-23.5 GHz（分数带宽为74.05%）。该超表面采用ITO-聚乙二醇对苯二甲酸酯（PET）-ITO三明治结构，其中图案化的ITO导电结构作为上表面共振层。我们通过数值模拟和实验测试了该超表面的性能，结果表明它能够将入射的圆偏振波转换为交叉偏振波，并将出射能量聚焦到空间中的预定位置。焦距随着工作频率的增加而增大。我们的测量结果与仿真结果之间的良好一致性证明了这种多功能集成超表面的可行性，并展示了其在宽带成像和无线通信领域的潜力。

**引言**
近年来，超表面被报道具有超越天然材料的独特性质[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。超表面是一种二维超材料，具有强大的能力来操控电磁波的相位、振幅和偏振。通过塑造亚波长超原子的形状和空间排列，可以控制光束的反射和透射特性[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。当改变超表面元件的几何形状以实现所需的相位突变时，出射波的振幅和相位通常会随着元件大小的变化而变化。Pancharatnam Berry（PB）相位原理（也称为几何相位原理）提供了一种有效的方法，可以实现相位和振幅的独立控制。利用这一原理，可以在保持均匀振幅分布的情况下，为出射波精确分配特定的相位突变。因此，PB相位原理可以操控出射波的波前，例如实现高效的光子自旋霍尔效应[17]、异常折射[18]、涡旋波生成[19]、[20]和矢量波生成[21]。

目前，实现基于PB相位的反射型超表面的一般方案采用金属-绝缘体-金属（MIM）三明治结构。在这种配置下，通过组成金属超原子的几何旋转可以实现完整的2π相位覆盖。然而，关于光学透明微波PB相位超材料的研究相对较少，而且这些结构的频率带宽较窄。将光学透明性和宽带波束聚焦集成到单个超器件中仍然具有挑战性。最近，高精度、易于制造且成本低的电阻薄膜[22]、[23]、[24]、[25]引起了广泛关注。其中，ITO是一种n型氧化物半导体，具有可设计的导电性和良好的透明性[26]。基于ITO薄膜的超表面具有多种有趣的光学和电学特性，可用于多种应用，如宽带吸收[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、模拟信息调制[34]、雷达截面减小[35]、[36]、[37]、无线能量收集[38]、多光谱一致性伪装[39]等。此外，与使用贵金属的传统方法相比，ITO薄膜在光学透明度方面具有更多优势[40]。因此，用高透明性的ITO替换了图案化的金属层，从而扩展了工作带宽[41]、[42]、[43]。

在这项研究中，我们设计了一种用于高性能波束聚焦的宽带微波透明PB相位超表面。该超表面采用ITO-PET-ITO三明治结构，其中图案化的ITO导电结构作为上表面共振层。它在10.8至23.5 GHz的频率范围内实现了超过-3 dB的交叉偏振反射率。数值模拟和实验表明，该超表面能够将右旋圆偏振（RCP）波转换为左旋圆偏振（LCP）波。发射的电磁波在空间中的一个点聚集，且随着频率的增加，焦距增大，焦点强度减小。这种具有光学透明结构和宽工作频率范围的超表面能够实现对电磁波偏振和相位的全面控制，在高分辨率成像和无线通信领域具有巨大潜力。

**理论分析**
假设一个线性偏振的平面波沿z轴垂直入射到xoy平面上的均匀超表面，反射矩阵为[44]：
$$ M = \begin{pmatrix} r_{xx} & r_{xy} & r_{yx} & r_{ry} \\ r_{yx} & r_{xy} & r_{xx} & r_{yy} \end{pmatrix} $$
其中对角线元素$r_{xx}$和$r_{yy}$表示同极化反射系数，非对角线元素$r_{xy}$和$r_{yx}$表示交叉偏振反射系数。
当前，如果坐标系绕z轴旋转角度$\theta$，则新坐标系下的反射矩阵为……

**数值模拟**
图1(a)示意性地展示了基于精密设计的超表面在宽带频率下的空间偏振操控。为了实现交叉偏振聚焦，需要设计一种能够在宽带频率下操控电磁波偏振的超原子。图1(b–c)展示了超原子结构的3D视图和侧面视图。它是一种经典的三明治结构，表面上具有开放圆形图案的ITO薄膜。

**制备与表征**
如图8(a–b)所示，制备了尺寸为200 mm × 200 mm的透明样品。ITO通过溅射技术沉积在PET基底上，随后进行湿法蚀刻得到样品。介电层采用市售的聚氯乙烯（PVC）基底，厚度为2 mm。如图8(c)所示，该样品的测量透光率为51.88%，满足光学透明要求。近场实验装置如图8(d)所示……

**结论**
总之，我们提出了一种基于PB相位的宽带微波透明ITO超表面，用于波束聚焦。该超表面采用ITO-PET-ITO结构，其中图案化的ITO导电结构作为上表面共振层。数值模拟和实验结果表明，该超表面能够在10.8至23.5 GHz的频率范围内实现偏振转换和波束聚焦。发射的交叉偏振电磁波在空间中的一个点聚集。

**致谢**
本工作得到了中国国家自然科学基金（NSFC）项目62,071,291和62271317、上海市科学技术委员会项目（项目编号24DP1500600）以及上海市自然科学基金项目（项目编号24ZR1423600）的支持。

**作者贡献声明**
邵琳达：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、方法论、数据整理。
王一锋：验证、形式分析、数据整理。
李振飞：方法论、研究。
王雄：验证、监督。
王楠：撰写 – 审稿与编辑、可视化。
朱伟仁：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。