基于多层透射超表面的无衍射艾里光束生成技术及其微波领域应用

为解决传统艾里光束(Airy beam)生成系统体积大、成本高、难以集成的问题，研究人员创新性地设计了三层金属谐振环超表面(metasurface)，实现了对艾里光束振幅与相位的独立调控，成功生成一维(1D)、二维(2D)及环形自聚焦型无衍射艾里光束。该研究通过有限时域差分法(FDTD)仿真与印刷电路板(PCB)实验验证，证实了超表面在7.8–8.2 GHz频段的宽带适应性，为微波通信、光学显微操纵等领域提供了高效紧凑的解决方案。

　　

在光学与电磁波领域，艾里光束(Airy beam)因其独特的无衍射(non-diffraction)、自弯曲(self-bending)和自修复(self-repairing)特性备受关注。然而，传统生成方法依赖复杂的光学傅里叶变换系统或液晶空间光调制器，存在系统笨重、成本高昂、集成度低等瓶颈。随着超表面(metasurface)技术的兴起，这种由亚波长单元结构组成的二维平面器件为电磁波调控提供了新思路，但其在艾里光束多维调控中的应用仍待突破。

浙江大学的研究团队在《Optics》发表论文，提出一种基于三层金属谐振环超表面的创新设计，通过优化单元几何参数（如环半径、开口宽度和旋转角度），利用有限时域差分法(FDTD)在8 GHz频段实现振幅与相位的解耦控制。研究团队编码艾里函数的振幅相位分布，通过阵列排布生成三类艾里光束：一维(1D)型展现横向无衍射特性，二维(2D)型实现双向自弯曲，环形自聚焦型则呈现径向能量汇聚。实验采用印刷电路板(PCB)工艺制备样品，微波测试系统验证了光束传播轨迹与仿真的一致性，并在7.8–8.2 GHz频段保持高质量输出。

关键技术方法包括：1) 三层金属谐振环单元结构设计，通过参数优化实现透射系数T_xy
与相位P_xy
独立调控；2) 有限时域差分法(FDTD)仿真验证单元性能；3) 基于艾里函数解析解的振幅相位编码；4) PCB工艺加工二维艾里光束超表面样品；5) 微波暗室测试系统测量横向光强分布。

Unit design of Airy beam
通过求解与薛定谔方程数学同构的亥姆霍兹方程，推导出艾里光束的归一化傍轴方程，设计三层开口金属环单元结构，其共振效应可独立调控透射振幅（0.3–1.0）与相位（0–2π）。

1D Airy beam and annular self-focusing Airy beam
一维超表面阵列仅在x方向调制振幅相位，仿真显示光束传播20λ₀
（λ₀
为工作波长）后仍保持无衍射特性，且遮挡后能自修复。环形自聚焦型通过径向相位梯度实现能量汇聚。

2D Airy beam metasurface
扩展至x-y双向调制，实验测得传播距离5–25 cm内光强分布与仿真吻合，验证了超表面在宽带（7.8–8.2 GHz）下的稳定性。

Summary
该研究突破了传统方法的局限性，首次通过多层超表面实现艾里光束的多维调控，为微波频段的粒子操控、显微成像等应用提供了小型化解决方案。作者Jianfeng Xu、Yunyun Yang等指出，三明治谐振环结构为其他波段艾里光束生成提供了普适性设计范式。

研究意义在于：1) 首次将三层超表面应用于环形自聚焦艾里光束生成；2) 通过PCB工艺实现低成本、可批量生产的微波超表面器件；3) 为艾里光束在雷达成像、无线通信等领域的应用奠定基础。