用于波的功率合并的时空超表面

       将来自多个输入端口的电磁波耦合到单个输出端口是光学和微波工程中迫切需要的技术。它克服了传统光源的功率限制，实现高功率激光和远距离自由空间通信。最直接的波合并方法是在分束器或功率分配器的基础上实现的。然而，只有当光束之间具有特定的相位和振幅关系时，这些无源组件才允许相干光束的完全组合。这种约束源于系统的无源性。一般情况下，无源合成器的输入端口不匹配，当被入射波激发时，会出现寄生反射。只有当所有的输入端口同时相干地照射合成器，且每个输入波具有特定的相位时，反射波才会发生破坏性干扰，所有的输入功率才会被定向到输出端口。

       近日，芬兰阿尔托大学电子及纳米工程系Xuchen Wang等人证明了相干平面波和非相干平面波的完全结合可以通过使用性质随时间和空间变化的超表面来实现。在超表面使用适当的行波调制，可以将任意数量的入射平面波重新定向到一个输出端口，效率接近100%。输出波的频率被超表面移位，确保了完美的非相干功率组合。该工作提出的功率组合概念是通用的，可以应用于从微波到光学领域的电磁波，以及其他物理性质的波。由于所设计的超表面功率合并器具有有限的带宽，因此可以将这一概念扩展到入射光脉冲的完全和相位无关的组合，只要它们的光谱在器件带宽内。完美的脉冲组合是获得高强度激光源的必要条件，在激光等离子体加速器、二次辐射产生、等方面有着重要的应用。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。（丁雷）

       文章链接：Xuchen Wang et al, Space−Time metasurfaces for Power Combining of Waves,ACS Photonics(2021). https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00981.