Advanced Photonics | 步进电机实现可编程调控的低能耗超表面

美国俄克拉荷马州立大学与中国的研究人员合作设计了一种基于电动马达的可实时编程调控的超表面。该超表面能够分组地调控其上结构阵列方向，并根据程序设计实现三种不同的功能。本研究已发表于“Advanced Photonics”（ https://doi.org/10.1117/1.AP.4.1.016002）。

超表面是一种超薄的薄膜，其上的电介质结构之间的距离小于传入电磁波的波长，从而实现对入射电磁波的振幅、相位和偏振的调控，具有广泛的应用。静态超表面的结构固定，从而只具备一种功能。虽然目前已经开发出了可电动修改的的动态超表面，但是将每个元连接到一个二极管上，需要消耗大量电能。因此，需要平衡地考虑超表面上结构的数量和其总体能耗，这一点阻碍了大规模设备的发展。

为了解决这一缺点，研究人员受到一些“可折叠”装置的启发，开始探索机械上可重构的超表面，并成功创造了一种可以使用步进电机来旋转结构重组的多功能超表面。

左：4×4的元结构阵列，被齿轮和步进电机带动旋转；右：单个元结构，其能够调控入射电磁波的相位和偏振。

该超表面由一个20×20个元阵列组成，每个元阵列包括4×4个元结构，且一个步进电机使用连接齿轮能够旋转调整元的角度。编程能够改变结构角度，从而调控超表面的功能。例如，它可以实现对微波相位的高效均匀调控。基于步进电机的系统能耗远比基于二极管的系统能耗低得多。

实验中，超表面完成了三项不同的功能。首先，研究人员对该设备进行编程，使其表现为一个金属网，能够及其节省空间地聚焦微波。其次，他们用超表面将入射的平面波转换为涡旋光束。最后，他们使超表面产生了一系列全息图像，将产生的"天津大学 "和 "大同云冈 "的汉字漂浮在超表面以上60 cm处。