CN115603057B - 一种基于透射超表面的相位调制玻璃及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于透射超表面的相位调制玻璃及方法，所述玻璃包括：N*M个人工原子；每个人工原子包括：“工”字形金属图案层和玻璃层；“工”字形金属图案层包括：第一“工”字形金属图案层和第二“工”字形金属图案层，玻璃层包括：第一玻璃层和第二玻璃层；第一“工”字形金属图案层、第一玻璃层、第二“工”字形金属图案层和第二玻璃层从上到下依次设置；人工原子用于对入射电磁波的相位进行调制，以得到预期的相位分布。通过将第一“工”字形金属图案层、第一玻璃层、第二“工”字形金属图案层和第二玻璃层依次设置形成人工原子，对入射电磁波进行相位调制，以得到预期的相位分布，实现毫米波信号室内空间渗透增强和波束赋形。

Description

一种基于透射超表面的相位调制玻璃及方法

技术领域

本发明涉及透射型材料技术领域，特别涉及一种基于透射超表面的相位调制玻璃及方法。

背景技术

伴随5G业务种类多样化和行业边界不断扩展，用户对无线网络的需求呈现从室外转向室内集中的趋势，业界预测5G时代室内消费端移动通信业务的比例将增大至85％以上。为满足更高的数据传输速率和信道容量需求，毫米波作为下一代无线通信技术的关键技术得到了广泛研究，甚至在国际上也实现了一定范围内的商用。但是相较低频段信号，毫米波信号存在传输路径损耗较大、穿透和绕射能力差、易受到环境遮挡影响等问题，尤其是针对室内、车内等5G业务需求集中高发区域，毫米波仅能够提供浅表性覆盖，无法满足用户的网络需求。

针对于上述技术问题，现有的解决技术方案有：

1、有少数研究者利用对金属图案剖分栅格方式，结合玻璃基材实现较高透光率的透射表面，且通过FZP(FZP：Fresnel-zone-plate，中文名为：菲涅耳波带板)原理实现聚焦功能的阵列，并应用到玻璃上。但是，其透光率有限且对透射波的操控灵活性较低。

2、部分研究者在微波频段设计了一些透射型超表面，并实现波束聚焦、扫描等功能，但并未考虑可见光透光性设计和在玻璃上的应用。

3、也有部分研究者针对低辐射玻璃设计了除膜并增加孔径、缝隙等技术，增加电磁信号透过率。

4、还有部分研究者利用光学透明度较高的薄膜和透明介质如玻璃等为材料核心设计开发出一些光透明的毫米波天线，但是该方法需要额外给天线提供相应馈源，对现有玻璃改造难度大且成本较高。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于透射超表面的相位调制玻璃及方法，旨在解决现有技术中毫米波信号在传播过程中易损耗，以及无法实现室内深度覆盖的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种基于透射超表面的相位调制玻璃，所述基于透射超表面的相位调制玻璃包括：N*M个人工原子；

每个所述人工原子包括：“工”字形金属图案层和玻璃层；所述“工”字形金属图案层包括：第一“工”字形金属图案层和第二“工”字形金属图案层，所述玻璃层包括：第一玻璃层和第二玻璃层；所述第一“工”字形金属图案层、所述第一玻璃层、所述第二“工”字形金属图案层和所述第二玻璃层从上到下依次设置；

所述人工原子用于对入射电磁波的相位进行调制，以得到预期的相位分布。

所述基于透射超表面的相位调制玻璃中，所述基于透射超表面的相位调制玻璃为N*M个所述人工原子按照预定方式进行旋转拓扑形成的玻璃阵列。

所述基于透射超表面的相位调制玻璃中，所述人工原子的形状为正方形，所述人工原子的长宽均为P，所述“工”字形金属图案层为镂空“工”字形金属细线图案，“工”字型闭合区域为金属区，中间区域为镂空区，金属占空比为6.1％。

所述基于透射超表面的相位调制玻璃中，所述第一“工”字形金属图案层与所述第二“工”字形金属图案层的形状和尺寸相同，所述第一玻璃层与第二玻璃层的形状和尺寸相同。

所述基于透射超表面的相位调制玻璃中，所述第一“工”字形金属图案层位于所述第一玻璃层的一侧表面，所述第二“工”字形金属图案层位于所述第二玻璃层的一侧表面，所述第一“工”字形金属图案层与所述第二“工”字形金属图案层的朝向相同。

所述基于透射超表面的相位调制玻璃中，所述“工”字形金属图案层利用激光刻蚀将金属图案附着在所述玻璃层上，所述“工”字形金属图案层的金属膜厚为300纳米。

所述基于透射超表面的相位调制玻璃中，所述第一玻璃层的下表面和所述第二“工”字形金属图案层直接贴合，且金属图案完全对齐重叠，形成非对称的多层玻璃架构。

所述基于透射超表面的相位调制玻璃中，所述预定方式为根据预期的相位分布中的每一个相位点对相应个数的所述人工原子进行水平旋转。

所述基于透射超表面的相位调制玻璃中，所述基于透射超表面的相位调制玻璃的尺寸为210mm*210mm。

一种如上所述基于透射超表面的相位调制玻璃的基于透射超表面的相位调制方法，所述基于透射超表面的相位调制方法包括以下步骤：

N*M个人工原子按照预设方式得到玻璃阵列；

相位分布所述玻璃阵列对入射电磁波的相位进行调制，得到预期的相位分布。

所述基于透射超表面的相位调制方法中，所述N*M个人工原子按照预设方式得到玻璃阵列的步骤具体包括：

根据预期的相位分布中的相位点分别对N*M个所述人工原子进行水平旋转，得到所述玻璃阵列。

所述基于透射超表面的相位调制方法中，相位分布所述玻璃阵列对入射电磁波的相位进行调制，得到预期的相位分布的步骤具体包括：

所述玻璃阵列接收所述入射电磁波；

相位分布所述玻璃阵列中的人工原子对所述入射电磁波的所有相位进行对应调制，得到预期的相位分布。

所述基于透射超表面的相位调制方法中，相位分布所述玻璃阵列中的人工原子对所述入射电磁波的所有相位进行对应调制，得到预期的相位分布的步骤具体包括：

假设通过所述玻璃阵列得到预期实现的相位分布为Φ(x,y)；其中，(x,y)为人工原子在玻璃阵列面上的坐标位置；

当所述入射电磁波为左旋圆极化波时，所述人工原子应以自己的几何中心按照第一方向上旋转θ(x,y)角；当所述入射电磁波为右旋圆极化波时，所述人工原子应以自己的几何中心按照第一方向的反方向上旋转θ(x,y)角；其中，θ(x,y)＝Φ(x,y)/2。

相较于现有技术，本发明提供的一种基于透射超表面的相位调制玻璃及方法，所述玻璃包括：N*M个人工原子；每个人工原子包括：“工”字形金属图案层和玻璃层；“工”字形金属图案层包括：第一“工”字形金属图案层和第二“工”字形金属图案层，玻璃层包括：第一玻璃层和第二玻璃层；第一“工”字形金属图案层、第一玻璃层、第二“工”字形金属图案层和第二玻璃层从上到下依次设置；人工原子用于对入射电磁波的相位进行调制，以得到预期的相位分布。通过将第一“工”字形金属图案层、第一玻璃层、第二“工”字形金属图案层和第二玻璃层依次设置形成人工原子，对入射电磁波进行相位调制，以得到预期的相位分布，增大毫米波信号的内部空间深度覆盖率。

附图说明

图1为本发明提供的多功能玻璃基本单元结构透视图；

图2为本发明提供的人工原子宽频带透波响应的仿真结果；

图3为本发明提供的基于特定旋转拓扑方式的高增益聚焦玻璃示意图；

图4为本发明提供的镂空“工”字形金属细线图案示意图；

图5为本发明提供的基于透射超表面的相位调制方法的较佳实施例的流程图；

图6为本发明提供的基于透射超表面的相位调制方法的较佳实施例中步骤S200的流程图；

图7为本发明提供的基于透射超表面的相位调制方法的较佳实施例中步骤S220的流程图；

图8为本发明提供的几何相位的产生原理示意图；

图9为本发明提供的高增益聚焦玻璃仿真聚焦的结果图。

附图标记：1：第一“工”字形金属图案层；2：第一玻璃层；3：第二“工”字形金属图案层；4：第二玻璃层；1.1：“工”字型闭合区域；1.2：中间区域。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提供的一种基于透射超表面的相位调制玻璃及方法。本发明中通过将第一“工”字形金属图案层、第一玻璃层、第二“工”字形金属图案层和第二玻璃层依次设置形成一个个人工原子后，分别对入射电磁波的相位进行调制，以便波束成形后得到预期的相位分布，从而增加了对毫米波的透光性和实现对毫米波进行高增益波束聚焦调控，进而增大了毫米波信号的内部空间深度覆盖率

下面通过具体示例性的实施例对基于透射超表面的相位调制玻璃设计方案进行描述，需要说明的是，下列实施例只用于对发明的技术方案进行解释说明，并不做具体限定：

请参阅图1，本发明提供的一种基于透射超表面的相位调制玻璃，所述基于透射超表面的相位调制玻璃包括：N*M个人工原子；

每个所述人工原子包括：“工”字形金属图案层和玻璃层；所述“工”字形金属图案层包括：第一“工”字形金属图案层1和第二“工”字形金属图案层3，所述玻璃层包括：第一玻璃层2和第二玻璃层4；所述第一“工”字形金属图案层1、所述第一玻璃层2、所述第二“工”字形金属图案层3和所述第二玻璃层4从上到下依次设置；

所述人工原子用于对入射电磁波的相位进行调制，以得到预期的相位分布。其中，N为大于等于1的正整数。

具体地，本发明中提供的一种基于透射超表面的相位调制玻璃是由N*M个所述人工原子组成，每一个所述人工原子包括：“工”字形金属图案层和玻璃层，所述“工”字形金属图案层又包括：所述第一“工”字形金属图案层1和所述第二“工”字形金属图案层3，所述玻璃层又包括：所述第一玻璃层2和所述第二玻璃层4；即每一个所述人工原子包括两层“工”字形金属图案层和两层玻璃层。

并且，所述第一“工”字形金属图案层1、所述第一玻璃层2、所述第二“工”字形金属图案层3和所述第二玻璃层4从上到下依次叠加设置，由此构成每一个人工原子的结构。

当入射电磁波正向入射到基于透射超表面的相位调制玻璃上时，相应个数的所述人工原子则对入射电磁波的相位进行调制，以便得到预期的相位分布，进而实现透射电磁波，例如毫米波的宽频带、高透射率的波束赋形，例如实现了对入射电磁波进行高增益波束聚焦调控，增强了高频信号室内渗透。

那么，请参阅图2，图2为对所述人工单元(人工原子)进行宽频带透波响应的仿真结果，在无限周期边界条件下，所述人工单元实现了毫米波频段的宽频带透波响应。从图2中可以看出，在25GHz～31.4GHz频带内透射幅度大于-2dB。

更进一步地，请参阅图3，所述基于透射超表面的相位调制玻璃为N*M个所述人工原子按照预定方式进行旋转拓扑形成的玻璃阵列。其中，所述预定方式为根据预期的相位分布中的每一个相位点对相应个数的所述人工原子进行水平旋转。

具体地，在已经知道了需要聚焦的毫米波(入射电磁波)成形后的相位分布(预期的相位分布)后，根据预期的相位分布中的所有像素点，以“工”字形金属图案层的中心为旋转中心，在水平方向对N*M个人工原子分别进行相应地旋转，以便旋转后的N*M个人工原子对毫米波进行透射并得到预期的相位分布。

例如，当一束毫米波正入射到玻璃面上，其波阵面(也就是一个等相位面)穿过由N*M个人工原子组成的玻璃阵列，其中，每个人工原子调控它所在空间那里的局域相位(离散化)，经过所述玻璃阵列上N*M个人工原子调控后，就得到一个由N*M个局域相位组成的相位分布，根据新的相位分布制备得到的玻璃就是所述基于透射超表面的相位调制玻璃，也即，由多个(所述人工原子进行旋转拓扑后形成的玻璃阵列就是本发明中的所述基于透射超表面的相位调制玻璃。

本发明中通过根据预期的相位分布中的每一个相位点对相同个数的所述人工原子进行水平旋转得到玻璃阵列，从而对入射电磁波聚焦成得到预期的相位分布。

本发明中通过特定单元(人工原子)旋转二维阵列拓扑方式实现了一种可实现对透射波进行高增益波束聚焦调控的玻璃，还可以通过不同的拓扑方式可以实现对透射波进行多功能调控的玻璃，如波束扫描，多波束、涡旋场等。即实现一种可用于建材窗户、车窗窗户等领域的多功能玻璃，所述多功能玻璃可替换传统窗户玻璃，在高透光率的基础上，实现对入射电磁波进行高增益波束聚焦调控，有效地增加了高频信号在室内的覆盖率。

更进一步地，请参阅图4，所述人工原子的形状为正方形，所述人工原子的长宽均为P，所述“工”字形金属图案层为镂空“工”字形金属细线图案，“工”字型闭合区域为金属区，中间区域为镂空区，金属占空比为6.1％。

具体地，由于所述玻璃层的俯视图为正方形，所述“工”字形金属图案层设置在所述玻璃层上，且所述“工”字形金属图案层小于所述玻璃层，从而从整体上看所述人工原子的形状为正方形，所述人工原子的长宽均为P，其中，所述“工”字形金属图案层为镂空“工”字形金属细线图案，“工”字型闭合区域1.1为金属区，中间区域1.2为镂空区，且金属占空比为6.1％。本发明中的镂空“工”字形金属细线图案结构，可以实现极低金属占空比、进而实现可见光高透射率；同时实现了毫米波宽频带、高透射幅度响应。

需要说明的是，本发明的实施例中提出的是镂空“工”字形金属细线结构，另一种实施例为将“工”字型金属细线图案替换为其他异形形状，如“口”、“C”字型等，如镂空金属细线设计的本质不变，仍属于本发明的保护范围。

更进一步地，所述第一“工”字形金属图案层1与所述第二“工”字形金属图案层3的形状和尺寸相同，所述第一玻璃层2与第二玻璃层4的形状和尺寸相同。

具体地，即所有的“工”字形金属图案层的规格相同，即所有的“工”字形金属图案层的厚度、形状和尺寸都一样，而所有玻璃层的规格也一样，即所有的玻璃层的厚度、形状和尺寸都一样。

更进一步地，所述“工”字形金属图案层利用激光刻蚀将金属图案附着在所述玻璃层上，所述“工”字形金属图案层的金属膜厚为300纳米。

具体地，每一层“工”字形金属图案层均是通过激光刻蚀将金属图案附着在相应层的玻璃层上，即所述第一“工”字形金属图案层1通过激光刻蚀在所述第一玻璃层2上，所述第二“工”字形金属图案层3通过激光刻蚀在所述第二玻璃层4从上。

更进一步地，所述第一玻璃层2的下表面和所述第二“工”字形金属图案层3直接贴合，且金属图案完全对齐重叠，形成非对称的多层玻璃架构。

具体地，由于第一“工”字形金属图案层1、第一玻璃层2、第二“工”字形金属图案层3和第二玻璃层4从上到下依次设置，而每一层“工”字形金属图案层又均是通过激光刻蚀将金属图案附着在相应层的玻璃层上，而所述第一玻璃层2的下表面则是和所述第二“工”字形金属图案层3直接贴合。

并且，所述第一“工”字形金属图案层1与所述第二“工”字形金属图案层3的形状和尺寸相同，所述第一玻璃层2与第二玻璃层4的形状和尺寸相同，所以可以使得金属图案完全对齐重叠，形成非对称的多层玻璃架构，那么，在俯视所述非对称的多层玻璃架构时，能够看到重合的一个“工”字形金属图案，具体如图4所示。并且，该方式结构简单、制备容易。

本发明中的所述基于透射超表面的相位调制玻璃具备两层玻璃架构(每一层玻璃上蚀刻一层金属图案层)，从而起到积累相位的作用，还可以其他的层数，此处并不做限定。同理，本发明中的保护范围保护但不限于多层玻璃架构的层数、基材或金属厚度、尺寸等改动设计。

更进一步地，所述第一“工”字形金属图案层1位于所述第一玻璃层2的一侧表面，所述第二“工”字形金属图案层3位于所述第二玻璃层4的一侧表面，所述第一“工”字形金属图案层1与所述第二“工”字形金属图案层3的朝向相同。

具体地，由于所述第一“工”字形金属图案层1、所述第一玻璃层2、所述第二“工”字形金属图案层3和所述第二玻璃层4是从上到下依次设置的，所以所述第一“工”字形金属图案层1则是位于所述第一玻璃层2的一侧表面，所述第二“工”字形金属图案层3则是位于所述第二玻璃层4的一侧表面，从整体上看，所述第一“工”字形金属图案层1则与所述第二“工”字形金属图案层3的朝向相同。

更进一步地，所述基于透射超表面的相位调制玻璃的尺寸为210mm*210mm。

具体地，当由多个所述人工原子按照预定方式进行旋转拓扑形成玻璃阵列时，即制备形成所述基于透射超表面的相位调制玻璃的尺寸为210mm*210mm，即长*宽为210mm*210mm。

并且，每一层玻璃的厚度为1.1毫米，每一层金属膜厚为300纳米，所以整个所述基于透射超表面的相位调制玻璃的尺寸为210mm*210mm*(2.2mm+600nm)，即长宽高分别为210mm*210mm*(2.2mm+600nm)。需要说明的是本发明是基于玻璃基材设计的，另一种实施例为将玻璃基材替换成其他透明介质，如塑料等。

进一步地，请参阅图5，本发明提供的一种如上所述基于透射超表面的相位调制玻璃的基于透射超表面的相位调制方法，所述基于透射超表面的相位调制方法包括以下步骤：

S100、N*M个人工原子按照预设方式得到玻璃阵列。

具体地，为利用特制玻璃对毫米波实现所述波束聚焦功能，首先，将N*M个人工原子按照预设方式得到玻璃阵列，从而利用所述玻璃阵列对毫米波进行波束聚焦。

更进一步地，所述S100、N*M个人工原子按照预设方式得到玻璃阵列的步骤具体包括：

S110、根据预期的相位分布中的相位点分别对N*M个所述人工原子进行水平旋转，得到所述玻璃阵列。

具体地，为利用特制玻璃对毫米波实现所述波束聚焦功能，首先，已知需要得到的相位分布，即已知预期的相位分布，根据预期的相位分布中的相位点分别对N*M个所述人工原子进行水平旋转，即根据预期的相位分布中的每一个相位点将相应个数的所述人工原子一一分别以自己的几何中心进行水平旋转，也即根据每一个相位点需要调制的度数，以及根据调制度数与旋转角度的函数关系，相应地对每一个所述人工原子旋转多少水平角度，最终，完成了所有所述人工原子的水平旋转后，得到特制的所述玻璃阵列。

为实现所述波束聚焦功能，根据惠更斯原理(惠更斯原理是指球形波面上的每一点(面源)都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面，透镜聚焦需满足入射波波前上的每一个次波源发射的球面波穿过透镜到焦点所积累的总相位相等)，整个玻璃阵列平面需要调制的相位分布需满足如下分布，即：

其中，(x，y)为多功能玻璃单元在玻璃面上的位置坐标，λ为工作波长，F为透镜的焦距。

进一步地，为实现上述对应坐标位置的多功能的人工单元(所述人工原子)的对应相位，基于P-B原理(Pancharatnam–Berry Phase原理，PB phase，也可以称为几何相位，或者PB几何相位，这种相位可以通过人工结构的旋转获得，但只针对圆偏振光入射发生偏振转化的那一部分出射电磁波可以获得这个相位，如人工原子旋转θ角，就可以获得2θ的相位)，通过水平旋转所述人工原子产生几何相位的方式来实现移相。

进一步地，请继续参阅图5，S200、相位分布所述玻璃阵列对入射电磁波的相位进行调制，得到预期的相位分布。

具体地，在制备得到所述玻璃阵列后，利用所述玻璃阵列中的N*M个所述人工原子分别对入射电磁波的相位进行调制，然后，波形成形得到预期的相位分布，从而实现通过特制的所述玻璃阵列对入射电磁波的相位进行调制，得到预期的相位分布。

更进一步地，请参阅图6，S200、相位分布所述玻璃阵列对入射电磁波的相位进行调制，得到预期的相位分布的步骤具体包括：

S210、所述玻璃阵列接收所述入射电磁波；

S220、相位分布所述玻璃阵列中的人工原子对所述入射电磁波的相位进行调制，得到预期的相位分布。

具体地，在制备得到所述玻璃阵列后，入射电磁波正入射到所述玻璃阵列上，所述玻璃阵列中的N*M个所述人工原子分别对入射电磁波的相位进行相应地调制，从而得到预期的相位分布。

例如，当一束平面波穿过由N*M个人工原子组成的玻璃阵列，其中，每个人工原子调控它所在空间附近的局域相位(离散化)，那么，经过所述玻璃阵列上N*M个人工原子调控后，就得到一个由N*M个离散局域相位组成的新的相位分布(预期的相位分布)。

更进一步地，请参阅图7，S220、相位分布所述玻璃阵列中的人工原子对所述入射电磁波的相位进行调制，得到预期的相位分布的步骤具体包括：

S221、假设通过所述玻璃阵列得到预期实现的相位分布为Φ(x,y)；其中，(x,y)为人工原子在玻璃阵列面上的坐标位置；

S222、当所述入射电磁波为左旋圆极化波时，所述人工原子应以自己的几何中心按照第一方向上旋转θ(x,y)角；

S223、当所述入射电磁波为右旋圆极化波时，所述人工原子应以自己的几何中心按照第一方向的反方向上旋转θ(x,y)角；其中，θ(x,y)＝Φ(x,y)/2。

其中，圆极化电磁波又被称为圆极化波，其可由两正交且具有90度相位差的分量合成产生，根据矢量端点旋转方向的不同，圆极化波可以区分为两种极化态或者偏振态：可以是右旋的RCP波，也可以是左旋的LCP波。

具体地，假设通过人工原子阵列预期实现的相位分布为Φ(x,y)，其中(x,y)为人工原子在面上的坐标位置；那么，当所述入射电磁波为所述左旋圆极化(LCP)波时，所述人工原子需以自己的几何中心进行按照第一方向上(本实施例中为顺时针)旋转θ(x,y)＝Φ(x,y)/2；而当所述入射电磁波为所述右旋圆极化(RCP)波时，所述人工原子则需以自己的几何中心进行按照第一方向的反方向(本实施例中为逆时针)上旋转θ(x,y)＝Φ(x,y)/2。

具体地，在通过水平旋转所述人工原子产生几何相位的方式来实现移相时，几何相位的产生原理如下：

当所述入射电磁波，例如圆极化电磁波正入射到人工原子阵列上，所有出射的透射波均可以拆分为左旋(LCP)波(也叫左旋出射波)和右旋(RCP)波(也叫右旋出射波)的叠加。这里以RCP波入射到人工原子阵列为例，介绍当人工原子按所述第一方向旋转θ的时候，对透射RCP波(右旋出射波)和透射LCP波(左旋出射波)的相位影响。

对透射RCP波，如图8(a)，当人工原子不旋转的情况下，假设所述入射电磁波的入射电场为E₀，所述右旋出射波的透射场则为E₀exp(i*Φ₀₁)。当人工原子按所述第一方向旋转θ角，如图8(b)，为保持与旋转前整个体系等价，入射电场需要按所述第一方向旋转θ角，即为E₀exp(i*θ)，透射场也需要按所述第一方向旋转θ角，即为E₀exp[i*(Φ₀₁+θ)]。此时观察透射RCP波和入射RCP波的相位差与旋转前一样，不产生额外的相位。

对透射LCP波，如图8(c)，同理，当人工原子不旋转的情况下，假设所述入射电磁波的入射电场为E₀，所述左旋出射波的透射场则为E₀exp(i*Φ₀₂)。当人工原子按所述第一方向旋转θ角，如图8(d)，为保持与旋转前整个体系等价，入射电场需要按所述第一方向旋转θ角，即为E₀exp(i*θ)，由于透射LCP场和入射RCP场的旋转方向相反，透射LCP需要按所述第一方向的反方向旋转θ角，即为E₀exp[i*(Φ₀₂-θ)]。此时观察透射LCP波和入射RCP波的相位差和旋转前并不一样，额外产生了-2θ的相位。

由此得出，对于RCP入射波，当人工原子旋转θ角，仅在透射LCP波(圆极化波发生偏振转化的成分)上产生-2θ的几何相位差。同理，入射为LCP波时，当对于LCP入射波，当人工原子旋转θ角，仅在透射RCP波上产生2θ的几何相位差。

进一步地，请参阅图9，对高增益聚焦玻璃(所述基于透射超表面的相位调制)进行仿真聚焦，得到高增益聚焦玻璃仿真聚焦的结果图，所述210mm*210mm聚焦玻璃在26GHz、28GHz和30GHz分别实现了18.6、17.3和14.1dB的增益。

综上所述，本发明提供的一种基于透射超表面的相位调制玻璃及方法，所述玻璃包括：N*M个人工原子；每个人工原子包括：“工”字形金属图案层和玻璃层；“工”字形金属图案层包括：第一“工”字形金属图案层和第二“工”字形金属图案层，玻璃层包括：第一玻璃层和第二玻璃层；第一“工”字形金属图案层、第一玻璃层、第二“工”字形金属图案层和第二玻璃层从上到下依次设置；人工原子用于对入射电磁波的相位进行调制，以得到预期的相位分布。通过将第一“工”字形金属图案层、第一玻璃层、第二“工”字形金属图案层和第二玻璃层依次设置形成人工原子，对入射电磁波进行相位调制，以得到预期的相位分布，增大毫米波信号的内部空间深度覆盖率。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于透射超表面的相位调制玻璃，其特征在于，所述基于透射超表面的相位调制玻璃包括：N*M个人工原子组成的阵列；

每个所述人工原子包括：“工”字形金属图案层和玻璃层；所述“工”字形金属图案层包括：第一“工”字形金属图案层和第二“工”字形金属图案层，所述玻璃层包括：第一玻璃层和第二玻璃层；所述第一“工”字形金属图案层、所述第一玻璃层、所述第二“工”字形金属图案层和所述第二玻璃层从上到下依次设置；

所述人工原子用于对入射电磁波的相位进行调制，以得到预期的相位分布；

所述基于透射超表面的相位调制玻璃为N*M个所述人工原子按照预定方式进行旋转拓扑形成的玻璃阵列；

所述人工原子的形状为正方形，所述人工原子的长宽均为P，所述“工”字形金属图案层为镂空“工”字形金属细线图案，“工”字型闭合区域为金属区，中间区域为镂空区，金属占空比为6.1％；

所述预定方式为根据预期的相位分布中的每一个相位点对相应个数的所述人工原子进行水平旋转；

当入射电磁波正向入射到基于透射超表面的相位调制玻璃上时，相应个数的所述人工原子则对入射电磁波的相位进行调制，以得到预期的相位分布。

2.根据权利要求1所述的基于透射超表面的相位调制玻璃，其特征在于，所述第一“工”字形金属图案层与所述第二“工”字形金属图案层的形状和尺寸相同，所述第一玻璃层与第二玻璃层的形状和尺寸相同。

3.根据权利要求2所述的基于透射超表面的相位调制玻璃，其特征在于，所述第一“工”字形金属图案层位于所述第一玻璃层的一侧表面，所述第二“工”字形金属图案层位于所述第二玻璃层的一侧表面，所述第一“工”字形金属图案层与所述第二“工”字形金属图案层的朝向相同。

4.根据权利要求1所述的基于透射超表面的相位调制玻璃，其特征在于，所述“工”字形金属图案层利用激光刻蚀将金属图案附着在所述玻璃层上，所述“工”字形金属图案层的金属膜厚为300纳米。

5.根据权利要求1所述的基于透射超表面的相位调制玻璃，其特征在于，所述第一玻璃层的下表面和所述第二“工”字形金属图案层直接贴合，且金属图案完全对齐重叠，形成非对称的多层玻璃架构。

6.根据权利要求1所述的基于透射超表面的相位调制玻璃，其特征在于，所述基于透射超表面的相位调制玻璃的尺寸为210mm*210mm。

7.一种如权利要求1-6任一项所述基于透射超表面的相位调制玻璃的基于透射超表面的相位调制方法，其特征在于，所述基于透射超表面的相位调制方法包括以下步骤：

N*M个人工原子按照预设方式得到玻璃阵列；

相位分布所述玻璃阵列对入射电磁波的相位进行调制，得到预期的相位分布。

8.根据权利要求7所述的基于透射超表面的相位调制方法，其特征在于，所述N*M个人工原子按照预设方式得到玻璃阵列的步骤具体包括：

根据预期的相位分布中的相位点分别对N*M个所述人工原子进行水平旋转，得到所述玻璃阵列。

9.根据权利要求7所述的基于透射超表面的相位调制方法，其特征在于，相位分布所述玻璃阵列对入射电磁波的相位进行调制，得到预期的相位分布的步骤具体包括：

所述玻璃阵列接收所述入射电磁波；

所述玻璃阵列中的人工原子对所述入射电磁波的相位进行调制，得到预期的相位分布。

10.根据权利要求9所述的基于透射超表面的相位调制方法，其特征在于，相位分布所述玻璃阵列中的人工原子对所述入射电磁波的所有相位进行对应调制，得到预期的相位分布的步骤具体包括：

假设通过所述玻璃阵列得到预期实现的相位分布为Φ(x，y)；其中，(x，y)为人工原子在玻璃阵列面上的坐标位置；

当所述入射电磁波为左旋圆极化波时，所述人工原子应以自己的几何中心按照第一方向上旋转θ(x，y)角；当所述入射电磁波为右旋圆极化波时，所述人工原子应以自己的几何中心按照第一方向的反方向上旋转θ(x，y)角；其中，θ(x，y)＝Φ(x，y)/2。