利用紧凑型反射超表面和微型像素超原子实现宽带高纯度光场调制（OAM）生成

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Wideband High-Purity OAM Generation Using a Compact Reflective Metasurface With Miniaturized Pixel Meta-Atoms

紧凑型OAM发生器设计：通过双层像素元阵列优化，实现0.14λ周期和宽带高纯度OAM生成，数值分析与原型验证表明该结构在提升模式纯度（>0.8）的同时显著缩小阵列孔径。

　　

摘要：

设计一种紧凑型、宽带且具有高纯度的轨道角动量（OAM）发生器具有挑战性。为了解决这一挑战，本文提出了一种系统的原子到阵列的方法。首先，利用高效的多端口网络模型评估了基于双层像素的金属介电体元原子（meta-atom）的微型化潜力。基于确定的微型化极限，合成了一组在中心频率为10.5 GHz时具有4位全角度反射相位控制的meta-atom。结果表明，实现了小于0.14λ的紧凑周期结构，并在宽频带内实现了近乎均匀的色散分布，从而实现了更精细的方位角相位采样。在阵列层面，通过数值分析研究了焦距与直径比（F/D）对可实现带宽的影响。随后，应用这些基于像素的meta-atom来模拟OAM的产生，针对的模式为l=+1、+2、+3，在F/D=0.85的条件下进行实验。通过这种微型化技术，一个40×40的阵列在孔径上仅占5.6λ的空间，同时仍能产生清晰的螺旋波前，显著提高了模式纯度，尤其是对于高阶模式。对于l=+1至+3的模式，实现了稳定宽带OAM生成，模式纯度超过0.8，并且在超过45%的分数带宽范围内有效。这突显了所提出概念和方法的有效性。此外，还制作并测量了微型化OAM发生器的原型，测量结果与仿真结果吻合良好。