基于超表面径向相位校正的毫米波轨道角动量光束发散控制与等半径光束生成

《Scientific Reports》：Radial phase engineering for divergence control of OAM beams using a transmitarray metasurface

　　

摘要

随着模式数的增加，轨道角动量（OAM）光束表现出更大的发散度，这限制了它们在通信和成像中的应用。现有的相位工程技术通过添加锥形透镜和透镜相位项，并通过试错法观察结果光束来修改发散度。在此，我们利用了所选传播平面上预设的目标光束半径与其所需的径向相位校正之间的逆关系。径向相位校正由相位梯度与轨迹斜率之间的关系确定。这种逆向设计使得能够通过固定孔径超表面（MS）上的仅相位调制来实现发散控制。为了研究相位校正机制的效率，使用了一种基于双介电三金属层的紧凑超表面（MS），具有 2\(\pi \) 相位覆盖范围，且在 28 GHz 时传输大于 -3 dB。通过调制超表面（MS）上各个单元格的相位，生成了 OAM 模式。然后，应用径向相位校正以产生等半径 OAM 光束。全波仿真证实了理论预测，超表面（MS）产生了半径相同的 OAM 模式。在 28 GHz 时，对于三种 OAM 模式（\(\ell \) = 1、2 和 3），我们在 z = 40\(\lambda \) 处实现了 4.6\(\lambda \) 的等半径。此外，相位校正方法被用于为模式 1 和 2 生成完美涡旋光束，距离可达 40\(\lambda \)。进行了实验验证以确认等半径光束的形成。提出的方法为毫米波和微波系统中的多模复用和发散控制光束工程提供了一个通用框架。