文章提出多端口模型設(shè)計非局域超表面寻仗，通過聲學(xué)的波偏轉(zhuǎn)、模式轉(zhuǎn)換凡壤、聚焦、束縛態(tài)等多個算例證明了模型的有效性耙替。
以往的超表面由于它的離散相位亚侠，存在固有的效率低的問題，尤其對于一些大角度的波束偏轉(zhuǎn)俗扇。文獻(xiàn)指出一個反射的超表面是可以控制能量流向我們所設(shè)計的任意方向硝烂，它需要能流密度在超表面法向分量的積分在周期內(nèi)為零，而不需要每一點的能量為零铜幽。
為了實現(xiàn)以上的目的就需要有效地控制能量在表面的流動滞谢，這是以往超表面難以實現(xiàn)的，需要考慮并“定制”周期內(nèi)各個單元之間的耦合作用除抛，這也就是非局域超表面的特別性質(zhì)之一。
對于非局域超表面的設(shè)計方法已經(jīng)有一些利用引入表面波或利用同能流共型的一些表面結(jié)構(gòu)的解析或半解析的方法來設(shè)計實現(xiàn)能量在面上的轉(zhuǎn)換橄教。
但是以上方式也有一定限制护蝶，比如需要特定的結(jié)構(gòu)才可以支持表面波翩迈，以及同能流共型的的方式也需要復(fù)雜的曲線表面輪廓。
除了以上的方式堤魁，同時也存在一些逆向的設(shè)計方法。但是衩藤，這類逆向設(shè)計方法往往依賴數(shù)值求解赏表，且優(yōu)化迭代過程每次都需要對波動方程進行求解匈仗。文章提出多端口的模型悠轩，將超表面的輸出理解為一個或的個給定輸入端口的疊加散射波的綜合貢獻(xiàn)。除了存在的常規(guī)的物理實在端口鉴象，研究人員引入額外的一些端口纺弊，這些端口的輸入可以看成其自身的反射或者散射波骡男。
基于以上類似思想的工作也有一些隔盛，多數(shù)是改變超表面的構(gòu)造或者同時改變輸入和構(gòu)造，這樣都需要不斷的求解超表面系統(tǒng)的散射矩陣吮炕。文章認(rèn)為改變一些輸入就可以達(dá)到理想的輸出龙亲，不變的超表面構(gòu)造只需要一次的散射矩陣求解就夠了，降低了計算量捆姜。同時也可以幫助理解最終的輸出是由于該系統(tǒng)內(nèi)的這些輸入模式如何“耦合”帶來的迎膜。
作者將設(shè)計的結(jié)構(gòu)分成上圖的端口磕仅，例如想要獲得上部空間的反射能量。這里需要考慮下部波導(dǎo)與上部半無限空間界面的反射店茶、透射系數(shù)。上部的能量來源可以理解成入射到界面的反射轿腺，以及下部波導(dǎo)經(jīng)過界面處的透射幾部分丛楚。
利用 , 表示上半無限空間端口的振幅趣些，
表示下方波導(dǎo)的振幅。那么上半無限的空間的反射振幅可以表示為:
其中拢操， 表示上半無限空間
端口入射令境，
端口的反射系數(shù)；
表示引入的波導(dǎo)大端口
端口入射返劲，
端口的散射系數(shù)。最終的場可以通過求解
矩陣獲得孵延。這些矩陣我們可以通過數(shù)值求解尘应，可以使用商用軟件COMSOL設(shè)置一些端口入射的模式場來實現(xiàn)設(shè)計的超表面系統(tǒng)的散射矩陣求解犬钢。
作者為了證明模式的有效性，用該思想做了一些波模式轉(zhuǎn)換玷犹、聚焦歹颓、束縛態(tài)等超表面的設(shè)計。
多端口結(jié)構(gòu)模型將超表面波散射行為圖像化领跛，各端口輸出為所有端口輸入激發(fā)散射波疊加吠昭。此原理為通過調(diào)整端口輸入定制空間場提供了一定理論支持怎诫，從根源上提出一些設(shè)計思路贷痪，突破傳統(tǒng)局域超表面的限制劫拢。提出的模型不僅是設(shè)計工具，更為超表面的工作提供了一個新的理解視角舱沧。
參考
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