作为一种三维结构，螺旋超材料线栅间具有相对较高的耦合效应。因此，螺旋超材料应该可以作为一种很好的高效波前调控材料。但是据我们所知，到目前为止还没有人对这种超材料的波前调控的特性进行过相关研究。
针对这一问题，光学与电子信息学院杨振宇教授和他的研究团队（汪肇坤博士生、陶欢硕士生、赵茗老师）利用时域有限差分算法（FDTD）研究了螺旋超材料的相位特性。他们发现，在透射和反射光中螺旋超材料对入射光都实现了一个相位突变。而且这一相位突变在反射光中的效率可达60%以上。这一相位突变φ在600-860纳米波长范围内没有色散特性，它的大小仅取决于螺旋结构的初始角θ。相位突变φ与螺旋结构初始角θ间的关系满足如下公式：φ=±2θ。他们利用琼斯矩阵的方法，解释了这一关系产生的原因。最后，他们设计出了一种螺旋整列结构，在这一结构中相邻螺旋间具有一个固定的相位差。光学仿真实验清晰的表明，光在通过这一阵列时产生了异常折射现象。该研究成果发表在美国光学学会期刊OPTICS EXPRESS[24(16), pp. 18266–18276 (2016)].上。
图1. 光通过螺旋超材料阵列时的异常折射现象.
图2. 超表面隐身衣的整体结构示意图
另外，超材料的波前调控特性在隐身技术上也有广泛的应用前景。杨振宇教授研究团队提出了一种对电磁波偏振方向不敏感的超表面隐身衣。这种隐身衣采用旋转对称结构的金质圆柱天线来构成超表面，通过FDTD数值仿真证明：无论入射光的偏振沿哪个方向，当该超表面覆盖在一个凹凸不平的物体表面时，其反射光都类似镜面反射的平面波。与传统的超材料隐身衣相比，其超薄的结构具有易于制造和扩展到宏观尺寸、损耗较小、易于集成的优点。采用旋转对称的单元结构，该超表面隐身衣克服了以往研究中超表面隐身衣对偏振敏感的缺点。该研究成果发表在美国光学学会期刊Journal of the Optical Society of America B.33(11):2251-2255(2016).上。
以上工作得到了国家自然科学基金、武汉市科技计划、深圳市基础研究项目、高性能复杂制造国家重点实验室开放基金的资助。
