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光学工程
超构材料的信息化表征

 超构材料(Metamaterial)是一种由亚波长单元结构周期或非周期性地排布而形成的人工复合材料。其具有超常的电磁特性,与电磁波及光波相互作用后会产生很多奇特的物理现象,例如负折射、完美隐身、异常反射和异常折射等。

由于结构单元的亚波长特征,超构材料可由连续的(均匀或非均匀)等效媒质参数来描述。从电路角度来看,这类超构材料与模拟电路类似,因此又被称为模拟超构材料。模拟系统的缺点是,当系统结构变得复杂时,其分析与设计的难度也随之提高。

以二值数字逻辑为基础的数字系统在多个方面具有模拟系统不能比拟的优势,例如不易受噪声干扰、允许元器件参数在一定范围内变化等。更重要的是,由于具有逻辑运算和逻辑处理功能,数字系统通过逻辑上的组合搭配便可形成一系列具有不同功能的电子器件。

为了实现“数字版”的超构材料,东南大学崔铁军教授团队于2014年提出了一种新型的基于数字编码序列来调控电磁波的编码超构材料。由于构成编码超构材料的基本单元的电磁特性采用二进制数值来表征,且可通过数字电平0和1来调控,因此也被称为“数字超构材料”。

通过将预先设计的二进制编码序列输入到现场可编程门阵列(FPGA),便可实时地对电磁波进行调控,形成现场可编程超构材料(Cui, et al., Light Sci. Appl. 3, e218, 2014)。编码超构材料的概念随后被推广到太赫兹波段:利用闵可夫斯基分形结构和圆环结构实现多比特位的编码超构材料,进而对太赫兹波进行灵活调控(Gao, et al., Light Sci. Appl. 4, e324, 2015; Liang, et al., Adv. Opt. Mater. 4, 1374-1380, 2015)。


图1 (a)太赫兹各向异性编码超构材料;(b)编码超构表面的香农信息熵;(c)编码超构表面的数字卷积运算可实现对太赫兹波束的灵活连续调控。

然而,上述编码超构材料是各向同性的,其电磁特性与功能不随极化方向的变化而改变。近日,崔铁军教授团队在太赫兹波段提出了一种全新的各向异性编码超构材料[1],其结构单元在x极化和y极化电磁波的照射下呈现独立的数字态,通过赋予整个超构材料阵列相应的各向异性数字编码,便可使其在x极化和y极化电磁波的照射下表现出对太赫兹波完全不同的调控功能。如图1(a)所示,在垂直入射条件下,y极化太赫兹波产生双波束反常反射,而x极化太赫兹波产生四波束反常反射。

该理念可直接推广到微波、红外和可见光频段,使其在更多领域发挥潜在的应用价值。例如,在无线通信领域,可将所传送的信息加载在相互垂直极化的电磁波上,从而增大其传输容量;在可见光波段,如果蓝光光盘中每个存储点都采用类似的各向异性结构,那么每个存储点的存储信息量将成倍增加;在数字全息领域,一张全息像中将携带x极化和y极化下的图像,有助于实现视觉三维成像。

由于编码超构材料基于全数字表征与分析,因此自然建立起超构材料与信息科学结合的纽带,使人们有机会从信息科学的角度重新审视、研究和设计超构材料。崔铁军教授课题组首次将香农信息熵的概念引入超构材料,定义了超构材料及超构表面的信息熵及其物理信息熵[2]。他们将原本通信系统中用于评价信源不确定度的物理量来定量评估编码超构材料所携带的信息量(图1(b)),并揭示了超构材料编码图案的几何信息熵与远场方向图的物理信息熵之间的近似正比关系。这一发现解释了现场可编程超构材料实现单天线、点频、不扫描微波成像的机理,并有助于推进编码超构材料在新型无线通信和雷达探测等领域的应用。

数字编码的表征方式为在超构表面上进行数字信号处理运算奠定了基础。崔铁军教授课题组率先提出在超构表面上进行数字卷积以自由操控电磁波的新方法,仅采用有限个状态的编码单元即可实现连续的角度扫描[3]。得益于编码超构表面的数字编码与其远场方向图之间的傅里叶变换关系,可将信号处理中的卷积定理应用于远场方向图的偏转。在已有编码图案上叠加一个梯度编码序列,就能将其远场方向图朝着任意的设计方向无失真地偏转,其机理类似于傅里叶变换中将基带信号搬移到高频载波的过程。

可以预见,更多信息科学的理论与算法将直接应用于编码超构材料的分析与设计,不仅极大地降低了超构材料的设计难度,而且将带来一系列新奇发现与应用,进一步体现数字编码超构材料与信息科学结合的优势。

该系列工作由于其开创性被美国光学学会《Optics & Photonics News》遴选为“Optics in 2016”的30项成果之一;超构表面信息熵被中国科学院《National Science Review》(IF 8.0)遴选为Research Highlight;编码超构表面的数字卷积运算工作被《Advanced Science》选为封面论文,并被“Materials Views中国”以“编码超表面的卷积运算可实现对太赫兹波束的灵活连续调控”为题进行了专题报道。


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