光纤激光技术在微波与毫米波频段频率选择表面器件简化制备中的应用研究

【编辑推荐】为解决传统频率选择表面(FSS)制造工艺复杂、成本高的问题，研究人员首次采用光纤激光标记技术，成功制备了三种微波/毫米波频段FSS器件：窄带吸收体（35.2/35.3 GHz吸收率97%/99.8%）、超宽带极化转换器（21.8-42.5 GHz）和法布里-珀罗天线（19-22 GHz增益13 dBi）。该技术显著降低制造复杂度与废料率，为新一代无线通信系统提供高效制备方案。

　　

在无线通信技术飞速发展的今天，微波和毫米波器件的小型化与高性能化成为研究热点。频率选择表面(Frequency-Selective Surface, FSS)作为能实现电磁波选择性调控的人工周期结构，在雷达隐身、卫星通信等领域具有重要应用价值。然而传统FSS制造技术如光刻、化学蚀刻等存在工艺复杂、耗时长、污染大等缺陷，特别是对于毫米波高频段器件，现有方法难以兼顾精度与成本。

针对这一技术瓶颈，Rana Muhammad Hasan Bilal等研究人员创新性地将工业级光纤激光标记技术引入FSS制造领域。通过系统设计三种典型FSS结构——窄带吸收体、极化转换超表面和法布里-珀罗天线，验证了该技术在微波/毫米波频段的适用性。相关成果发表在《Optics》期刊，为高频电磁器件的低成本快速制备提供了全新解决方案。

研究团队采用三大关键技术：1）光纤激光直写系统（20 W功率、1064 nm波长）实现金属薄膜的精密图案化；2）全波电磁仿真软件优化FSS单元结构参数；3）矢量网络分析仪测试系统验证器件性能。通过调节激光功率（30-60%）、扫描速度（100-500 mm/s）等参数，在聚酰亚胺基板上实现了最小50 μm线宽的铝膜刻蚀。

【FSS-based narrowband absorbers】
设计两种谐振结构：方形贴片和十字形结构。仿真显示其分别在35.2 GHz和35.3 GHz处产生强共振吸收，实验测得吸收率分别达97%和99.8%。通过等效电路模型分析，证实其窄带特性源于结构尺寸与λ₀/4的匹配关系。

【FSS-based polarization conversion metasurface】
采用45°倾斜偶极子阵列构成极化转换超表面(PCM)。测试表明在21.8-42.5 GHz宽频带内实现线极化波至交叉极化波的高效转换（转换率>90%），覆盖整个Ka波段（26-40 GHz）。结构相位梯度分析揭示其宽带特性源于多谐振模态叠加。

【Complementary FSS-based Fabry-Perot antenna】
创新性地将互补FSS作为部分反射表面(PRS)，与接地层构成法布里-珀罗谐振腔。实测天线在19-22 GHz工作带宽内增益达13 dBi，最大增益17.20 dBi，阻抗匹配<-10 dB。辐射特性分析表明其高指向性源于PRS的电磁波相位调控作用。

该研究首次系统论证了光纤激光技术在微波/毫米波FSS器件制造中的独特优势：1）单步加工时间<1分钟，较传统工艺效率提升10倍以上；2）材料利用率>95%，显著减少金属废料；3）无需光刻胶、蚀刻液等危险化学品。研究团队特别指出，该方法对柔性基底的处理能力为可穿戴电磁器件开发开辟了新途径。

这项突破性工作不仅为5G/6G通信、智能传感等领域的核心器件制备提供了革新性技术路线，更启示工业激光设备在精密电磁结构加工中的巨大潜力。未来通过激光参数智能化调控与多材料兼容性拓展，该技术有望成为太赫兹超表面制造的标准化方案。