各向同性和超声惠更斯超表面的光束折射

在讨论“各向同性和超声惠更斯超表面的光束折射”这一主题时，我们首先需要明确几个核心概念。 各向同性材料指的是在所有方向上具有相同物理性质的材料。这种材料在电磁波传播过程中，不会因方向的改变而产生不同的折射效果。换句话说，电磁波在各向同性材料中的传播速度是恒定的，不会受到传播方向的影响。 惠更斯超表面（Huygens' Metasurfaces）是一种特殊的超材料结构，其利用亚波长尺寸的“元原子”单元来实现对电磁波的操控。所谓“元原子”是指构成超材料的基本单元，每个单元都小到可以近似地看作是点，它们可以控制入射波的相位、振幅和极化状态。这种超材料由于其特殊的结构，能够产生传统材料无法实现的光学和电磁效应。 在描述中提到，文章提出了一个各向同性且超薄的惠更斯超表面，该超表面能够有效地将25 GHz的电磁波折射到一个预定角度。通过控制超表面的相位梯度，实现了上述的光束折射功能。相位梯度的控制是通过五个亚波长的空间相位移动器实现的，这些移动器具有金属结构，并蚀刻在超薄介质基板的两侧。该介质基板的厚度为自由空间波长的0.07倍。该设备的透射效率峰值接近60%。该超表面的提出可能会在设计各种电磁透镜或可调节光束的方向设备中得到应用。 接着，介绍部分详细阐述了超表面的研究背景和发展历程。超表面是一种由亚波长元原子组成，具有特殊波前操控能力的超薄片材，已在微波、太赫兹（THz）和光学频段等多个领域得到了广泛研究，例如高增益可调节光束的天线阵列、超薄聚焦透镜和近场调制板等。与传统的宏观 metamaterials（超材料）相比，超表面的几何尺寸大幅度减小，使得其更加紧凑和轻巧，同时显著降低了制造复杂度和传播损耗。迄今为止，大多数报道的超表面设计依赖于电磁共振元件，例如V型天线、H型天线和偶极子天线等，这些设计主要基于电磁共振和电极化旋转的原理。 文章中提到了“空间相位移动器”的概念，这是通过在介质基板的两侧蚀刻金属结构来实现的，用于控制超表面的相位梯度，进而影响光束折射的方向。亚波长尺寸的设计意味着这些相位移动器的尺寸远远小于电磁波的自由空间波长。作者们进一步指出，相比于依赖共振的设计，基于空间相位移动的设计有更宽的操作带宽和更高的传输效率。 总体来看，这项研究涉及到了电磁波在介质中的传播特性、超材料以及超表面的设计原理和应用前景。此外，超表面与传统材料相比的轻量化和小型化特点，以及其在电磁透镜和光束控制方面的潜在应用，都表明这一领域具有重大的研究价值和实际应用潜力。通过对超表面材料的研究和设计，可以开发出新型的高性能电磁设备，进而推动通信、成像、传感器以及其他相关技术领域的发展。