CN109088170A - 基于干涉原理的超表面自旋、波前控制器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超表面电磁调控技术领域，具体为一种基于干涉原理的超表面自旋、波前控制器及其设计方法。本发明的自旋、波前控制器包括两个自旋、波前控制器；一个在RCP状态下能产生无衍射贝塞尔波束，在LCP状态下能实现雷达散射横截面减缩；一个在LP波不同频率处能实现4波束涡旋到2波束涡旋的切换；自旋、波前控制器超表面由M*N个具有相同结构参数但不同旋转角度Φ的超表面单元在二维平面内周期性等间距排列组成；超表面单元具有二极管式圆极化二向色性，在不同位置处的整体旋转角度根据所实现功能和几何贝尔相位计算确定。本发明利用圆极化二向色性同时实现了旋向调控和复杂波前调控，具有集成度高、功能灵活多变、工作频带宽、极化消光比大、角度不敏感、效率高等优势。

Description

基于干涉原理的超表面自旋、波前控制器及其设计方法

技术领域

本发明属于超表面电磁调控技术领域，具体涉及基于干涉原理的任意圆极化自旋、波前控 制器及其设计方法。

背景技术

超表面，作为超材料的一种平面二维形式，由系列亚波长人工电磁结构按照一定排列方式 构成。由于厚度薄、加工制作简单、电磁波调控能力强，引起了科学技术人员浓厚的研究兴趣。 尤其是应用超表面灵活调控电磁散射幅度、相位或同时调控幅度、相位在现代微波/光学通讯 系统中广泛应用。然而，以往超表面实现的功能仅仅在特定极化下实现，极大地限制了完全控 制电磁波的自由度。这个瓶颈问题使得我们很容易将相位和极化(线极化或圆极化)联系在一 起，构建复杂电磁调控领域额外新的设计自由度，这在光学领域尤为重要。

然而同时操控极化/旋向和相位在实际实现时非常具有挑战，传统方法是将极化、波片和 相位延迟器(如棱镜、透镜等)结合在一起。这种级联光学器件的方法使得器件的体积庞大、 效率低且性能恶化。虽然手性超材料被认为是极化控制的理想选择，但均匀周期结构限制了调 控预期电磁波前的能力。采用新兴圆极化波下的几何贝尔相位技术可以实现旋向波前控制，但 左旋圆极化波(LCP，标记σ-)和右旋圆极化波(RCP，标记σ+)的功能实质上被锁定，这 是由于改变入射电磁波的旋向(自旋)状态散射相位发生180°翻转，相位关系被锁定。同时， 为获得竖直方向上的层叠手性以往方法使用了多层结构，设计异常复杂且实现的功能比较单 一，仅仅是同一功能不同模式而已。

本发明基于相长干涉和相消干涉首次公开了一种实现旋向和相位同时调控的新方法，包括 实现相长干涉和相消干涉的设计准则，在此基础上还公开了两种自旋、波前控制器。由于本发 明超表面单元能实现RCP波完美反射和LCP波完美吸收，因此第1个自旋、波前控制器能在 RCP状态下能产生无衍射贝塞尔波束，而在LCP状态实现雷达散射横截面(RCS)减缩；第2 个自旋、波前控制器能在LP波下不同频率处能实现4波束涡旋到2波束涡旋的切换。本发明 自旋、波前控制器利用圆极化二向色性同时实现了旋向调控和复杂波前调控，具有单层结构容 易加工、集成度高、功能灵活多变、工作频带宽、极化消光比大、角度不敏感、效率高、厚度 薄等优势。

发明内容

本发明目的在于提供一种能同时实现旋向和波前控制的任意自旋、波前控制器及其设计方 法。

本发明是基于干涉原理的，提出了能实现圆极化二极管式二向色性的设计方法与准则，并 据此来任意调控电磁波波前，实现复杂波前调控和不同功能的高度集成，为电磁波前调控和高 集成度器件设计开辟新的方法。

本发明提供的能同时实现旋向和波前控制的任意自旋、波前控制器，包括两个自旋、波前 控制器,其结构如图1和图11所示，其中，自旋、波前控制器1在RCP状态下能产生无衍射贝 塞尔波束，在LCP状态下能实现雷达散射横截面(RCS)减缩；所述自旋、波前控制器2在 LP波不同频率处能实现4波束涡旋到2波束涡旋的切换。如图2所述，所述自旋、波前控制器是一种超表面，由M*N个具有相同结构参数但不同旋转角度Φ的超表面单元在二维平面内 以px*py为周期等间距排列组成，所述自旋、波前控制器的超表面单元具有二极管式圆极化二 向色性，在不同位置处的整体旋转角度根据所实现功能和几何贝尔相位计算确定。

本发明中，自旋、波前控制器1中M＝N＝31，自旋、波前控制器2中M＝N＝39，单元结构 参数处处相同，只是每个单元结构旋转角度均不同。

本发明中，所述的具有二极管式圆极化二向色性的单层超表面单元，如图3所示，由下层 金属地板、中层介质板以及上层金属结构组成，所述介质板的介电常数为ε_r＝4.5，厚度为 h＝3mm，电正切损耗tanσ＝0.025，所述上层金属结构由两个独立谐振结构组成，用于形成干涉 的两个主体部分，所述两个独立谐振结构形式是：大开口环谐振器(SRR₁)在外面，小开口 环谐振器(SRR₂)里面，在反射体系下他们的同极化反射系数均接近于1，大环谐振器与小环 谐振器的开口方向相差ψ＝45°，用于在右旋(RCP)和左旋(LCP)圆极化波照射下形成±90° 的几何贝尔相位差，通过调整SRR₁与SRR₂的外半径R₁和R₂可以调整他们在圆极化波照射下 的传输相位并使得传输相位差为-90°；这样通过在超表面单元内部同时引入几何贝尔相位与传 输相位，可使SRR₁与SRR₂的总体相位差为0°和180°，构成等幅同相相长干涉和等幅反相相 消干涉的条件。如图4(a)所示，超表面单元在RCP波照射下实现完美反射，而在LCP波照 射下实现完美吸波，形成显著的二极管式圆极化二向色性(自旋调控)。

本发明还提供所述任意自旋、波前控制器超表面的设计方法，包括，建立设计准则，优化 确定具有显著二极管式圆极化二向色性(极化消光比大)、工作频带宽的超表面单元结构及其 参数；具体步骤如下：

第一步：建立超表面单元实现二极管式二向色性的设计准则

为不失一般性，这里以最一般的情形入手。假设任意极化角θ的线极化波(LP)垂直入 射到超表面，根据琼斯矩阵它可以分解为等幅的LCP和RCP分量，即：

这里，E₊ ^inc＝(cosθ-isinθ)/2为RCP分量，E_- ^inc＝(cosθ+isinθ)/2为LCP分量。

由于我们在单元中同时引入了几何贝尔相位和传输相位，单独SRR₁和SRR₂在RCP分量 下的反射场可以写成：

同理，它们在LCP分量下的反射场可以为：

当不考虑SRR₁和SRR₂在一起时的互耦，它们在任意θ极化角LP波下的反射总场可写成：

在同极化反射体系下，交叉圆极化分量可以忽略，式(3)可简化为

由于反射体系下，很容易有|r₁₊₊|≈|r₂₊₊|≈1和|r_1--|≈|r_2--|≈1。由式(4)可知其余变量Φ和ψ对于二极管式非对称反射特性起决定作用。于是在LCP和RCP波下，为使E_com-和E_com+中 的一个最大而另一个最小，必须满足下列准则：

由式(5)，立即可得两种情形下方程的唯一解分别为ψ＝-45°以及ψ＝-45°此即为二极管式自旋调控设计的一般准则。

当LCP下满足第一条准则：ψ＝-45°时，基于同相相长干涉和反相相消干涉可以 实现LCP分量的完美100％反射以及RCP分量的完美吸收。同理，

当RCP下满足第二条准则：ψ＝-45°时，基于同相相长干涉和反相相消干涉可以 实现RCP分量的完美100％反射以及LCP分量的完美吸收。

当满足上述准则时，二极管式圆极化调控器具有稳定的二向色性。根据上述准则可知，LCP 和RCP分量的反射率可以通过调谐SRR₂的旋转角ψ在0°～180°或-180°～0°范围内变化来连续 调谐。

如图4(c)所示，曲线显示在9.5GHz附近为-90°。图4(a)中仿真与干涉原理计算的|r₊₊| 曲线吻合的非常好，图4(b)中曲线|r_1--|-|r_2--|与干涉原理计算的超表面单元|r_--|曲线吻合的非 常好，验证了本文干涉原理的正确性与指导设计的高效性。上式同时涉及到了几何贝尔相位2ψ 和SRR₁、SRR₂结构的反射相位差当满足该准则时，便可以基于同相相长干涉和反相相 消干涉实现RCP分量的完美100％反射以及LCP分量的完美吸收。同理，当满足准则和ψ＝-45°时，可以实现LCP分量的完美100％反射以及RCP分量的完美吸收。需要说明的是， 超表面的二极管式圆极化二向色性并非由介质吸收引起。如图4(d)所示，即使介质板的电 正切损耗δ接近于0，超表面仍然保留着非常好的吸收率(～50％)，尽管如此，反射率|r₊₊|确 实受影响，随着δ的增大|r₊₊|有所减小且当δ＝0.005时的|r₊₊|的反射效率大于95％。根据上述 式(4)和(5)不难发现，LCP和RCP分量的反射率可以通过调谐SRR₂的旋转角ψ在0°～180° 或-180°～0°范围内变化来连续调谐，如图5所示。本发明二极管式圆极化二向色性具有很好的 入射角不敏感性，如图6所示，无论是在xz面还是yz面内入射，都清晰可见LCP和RCP波 的二极管式非对称反射特性，9.52GHz附近LCP几乎完全吸收，RCP在宽频范围内几乎近1 全反射，该特性在大角度下依然保持的非常好，即使当入射角达80°，LCP波的吸收率在两种 情形下仍然大于68％和76％，甚至在65°时仍保持很高的消光比，具有稳定的二向色性。xz、 yz面内吸收率在大角度情形下随θ微小的红移和蓝移是由于结构同时打破了镜像和旋转对称 性。上述LCP和RCP波的高消光比反射特性在圆极化波高选择性器件应用至关重要。

第二步：根据上述准则、工作频率和不同圆极化波分量的反射率确定单元结构和尺寸

以第一步所述二极管式圆极化二向色性设计准则为依据，再根据工作频率和不同圆极化波 分量的反射率来确定单元结构和尺寸，主要根据工作频率处SRR₁的SRR₂的相位差来确定结构参数。这里为便于优化设计，预先设定：单元为方形且周期p_x＝p_y，两个开口环谐 振器(SRR₁，SRR₂)环的开口宽度w相同。于是，只需根据相位差优化外半径和开口宽度；

优化过程中，先根据特定频率(中心工作频率f₀)和相位差来初步单独设计外半 径R₁和R₂，先大致确定R₁和R₂、使得f₀落在SRR₁的高频、低频模式中间而靠近SRR₂的低 频模式，然后在商业仿真软件CST中建立本发明包含SRR₁与SRR₂的复合单元模型，在考虑耦合情形下来细调SRR₁、SRR₂的开口宽度，使LCP和RCP两种情形下的相位差精确为180°。

需要说明的是，在具体选择单元结构时两部分结构的弱耦合是重要指标，在弱耦合下单元 结构的两部分可以单独设计。

本发明的实施例中，SRR₁与SRR₂优化的结构参数如下：R₁＝2.2，R₂＝1.4，w＝0.6，其开口 宽度分别为21.5mm和1.5mm；这里R₁、R₂分别为SRR₁、SRR₂的外半径，w为SRR₁、SRR₂的宽度。

第三步：根据工作频率、功能，确定超表面尺寸以及不同位置处单元的旋转角度

根据第一步和第二步确定的单元结构，再根据工作频率以及实现的功能确定所述自旋、波 前控制器的尺寸和不同位置处超表面单元的旋转角度Φ。其根本依据是各单元的反射幅度均不 随Φ角变化而变化，尤其是r₊₊曲线始终保持很高的反射率，而r₊₊随Φ变化在整个宽频范围内 严格呈现2Φ的反射相位(几何贝尔相位)，r_--除了在干涉区域随Φ变化均呈现几何贝尔相位， 但在干涉区域由于场强高度局域化在SRR环上反射相位发生畸变，上述几何贝尔相位对交叉 极化r_+-和r_-+不适用，r_+-和r_-+相位变化随Φ变化没有任何规律，如图7所示。这种随Φ角变 化不敏感的高反射率以及宽频无色散几何贝尔相位对于准确高效波前调控设计至关重要。

超表面尺寸(M*N)根据工作频率确定，首先由频率可以确定波长λ，然后根据λ确定超 表面尺寸，这里为保证性能，超表面尺寸一般大于7λ。

实现无衍射贝塞尔波束时，其旋转角由下式确定：

这里F为贝塞尔波束的长焦距，R为超表面口径尺寸的一半。

实现多波束涡旋波束时，其旋转角由由下式确定：

这里，和分别为沿x、y方向的线性相位；为涡旋相 位，ξ_x和ξ_y为梯度且l＝1、2为涡旋波束的拓扑荷。

实施例中，p_x＝p_y＝7mm，ψ＝45°，p_x、p_y为超表面单元在x、y方向上的周期，ψ为SRR₂开口相对于SRR₁开口的旋转角度，即SRR₂开口的中心轴线与SRR₁开口的中心轴线的夹角，参加图3所示。

根据旋转角Φ分布和单元结构参数，通过旋转复合单元结构并基于寻根算法，在CST中 利用VBA宏建立自旋、波前控制器的拓扑结构。由于本发明中采用的单元能实现RCP完美反 射而LCP完美吸收，因此，第1个自旋、波前控制器能在RCP状态下能产生无衍射贝塞尔波 束，而在LCP状态实现雷达散射横截面(RCS)减缩；而第2个自旋、波前控制器能在LP波不同频率处能实现4波束涡旋到2波束涡旋的切换。

本发明自旋、波前控制器利用圆极化二向色性同时实现了旋向调控和复杂波前调控，具有 单层结构容易加工、集成度高、功能灵活多变、工作频带宽、极化消光比大、角度不敏感、效 率高、厚度薄等优势。

附图说明

图1为自旋、波前控制器的功能示意图。

图2为自旋、波前控制器的拓扑结构图。

图3为自旋、波前控制器的超表面单元结构图。

图4为自旋、波前控制器的超表面单元反射特性频谱图。其中，(a)LCP和RCP平面波照 射下超表面单元的FDTD仿真与理论计算的右旋同极化(|r₊₊|)、左旋同极化(|r--|)以及交叉极 化反射系数，理论结果基于干涉原理计算为和(b，c)FDTD计算的SRR₁和SRR₂单元的反射(b)幅度和(c) 相位。(d)LCP波下超表面单元的吸收频谱随电正切损耗δ的变化关系。

图5为LCP波下超表面单元在不同ψ角下|r_--|的反射频谱图。

图6为LCP和RCP波下均匀超表面的吸收率随入射角θ和频率的变化图，左列为xz面，右列 为yz面的频谱变化图。

图7为LCP波和RCP波下超表面单元在不同旋转角Φ下|r₊₊|(左列)、|r_--|(中列)、|r_+-|＝|r_-+| (右列)的反射幅度(上排)和相位(下排)频谱图。

图8为第1个自旋、波前控制器产生无衍射贝塞尔波束的口径与直径相位分布。

图9为第1个自旋、波前控制器yz面内5个典型频率8、9、9.5、11和12GHz处的电场分布。

图10为第1个自旋、波前控制器在RCP波下不同频率8、9、9.5、11和12GHz处(a)沿传输 方向(轴向z方向)、(b)y方向的仿真与测试电场密度和(c)焦点处归一化场强频谱图以及 (d)LCP波下9.5GHz附近RCS频谱图。

图11为第2个自旋、波前控制器产生多涡旋波束的(a)口径相位分布与(b)拓扑结构。

图12为第2个自旋、波前控制器在LP波照射下5个典型频率8、9、9.5、10和12GHz处的三 维立体散射方向图与φ＝45°二维面内的散射方向图。

图13为第2个自旋、波前控制器在LP波照射下9.5和10.5GHz处z＝250mm面内E_y的(a)幅 度与(b)相位分布，其中垂直波束方向面内的幅度和相位分布在(a)图中间和(b)图右侧。

具体实施方式

下面以2个实施例来进一步本发明自旋、波前控制器的设计方法，并说明设计的正确性与 器件优越能。

根据本发明的设计方法，优化确定SRR₁与SRR₂，具体参数如下：R₁＝2.2，R₂＝1.4，w＝0.6， p_x＝p_y＝7mm，ψ＝45°且其开口宽度分别为21.5mm和1.5mm。优化过程中，先根据特定频率(中 心工作频率f₀)和相位差来初步单独设计外半径R₁和R₂，先大致确定R₁和R₂、使得 f₀落在SRR₁的高频、低频模式中间而靠近SRR₂的低频模式，然后在商业仿真软件CST中建 立本发明包含SRR₁与SRR₂的复合单元模型，在考虑耦合情形下来细调SRR₁、SRR₂的开口 宽度，使LCP和RCP两种情形下的相位差精确为180°。

第一个自旋、波前控制器工作中心频率设计在10GHz处，包含31*31个超表面单元，总 面积为217*217mm²。为在RCP波下形成无衍射反射波前，超表面的口径相位满足这里F＝100mm，R＝108.5mm。如图8所示，可以清晰看出二维抛物口径相位分布与直径折线相位分布。根据该相位分布以及超表面设计方 法，可以在CST中通过编写VBA宏代码立即确定自旋、波前控制器的拓扑结构，如图1所示。 具体实施中，首先将上面计算的相位存入一个目标文档，其次在CST中编写复合单元结构的 VBA宏代码，然后在总VBA代码中编写循环程序，调用目标文档并基于寻根算法逐个比对， 找到超表面各单元的所需旋转角Φ，最后总VBA代码调用单元结构代码和旋转角Φ执行整体 结构生成。

为评估自旋、波前控制器的性能，采用商业仿真软件CST对整个超表面进行仿真。图9 给出了yz面内5个典型频率8、9、9.5、11和12GHz处的仿真电场分布，可以看出LCP和RCP波激励下超表面具有显著不同的功能和特性。RCP波下，所有频率处均可见超表面沿z方向具有很长距离的无衍射传输行为(贝塞尔波束)，且工作带宽很宽。然而在LCP波下， 所有情形下整个口径上呈现弱而发散的场和能量分布，尤其是在干涉频段9.5GHz附近场强接近于0，该频率处两种情形下RCP和LCP波的场强比(极化消光比)超过50，该特性由各单 元的二极管式圆极化二向色性引起。

为进一步进行定量分析，图10给出了RCP波下不同频率处沿传输方向(轴向z方向)、 y方向的仿真与测试电场密度、焦点处归一化场强频谱图以及LCP波下9.5GHz附近的RCS 频谱图。可以看出，所有情形下仿真与测试结果吻合良好，从图10(a)可以看出，RCP波照 射下能量主要束缚在光轴z附近且无衍射传输了相当长的距离(3dB能量衰减长度约为75 mm)。从图10(b)可以看出显著的贝塞尔波型，能量沿y方向不停震荡衰减(形成主瓣附近若干场强零点)，半功率波瓣宽度约为15mm且随频率变化几乎保持不变。从图10(c)可 以看出归一化电场在中心频率f₀＝10GHz附近达到最大，预示了最优的贝塞尔波束产生能力。而当频率偏离f₀时由于需要的抛物相位与实际相位的偏差越来越大，产生无衍射波束的能力在 下降，以半功率衰减计算的工作带宽为3.4GHz(8～11.4GHz)，相对带宽达34％。从图10(d) 可以看出，LCP波照射下后向散射显著减小，与相同尺寸的金属板相比超表面在8～12GHz范 围内RCS减缩超过7dB，尤其是在9.5GHz附近，RCS减缩值甚至达到-20.7dB。最重要的是， 低RCS特性对入射角不敏感，即使当入射角度为θ＝45°时仿真RCS减缩值依然优于-6dB。

第二个自旋、波前控制器工作中心频率依然设计在10GHz处，包含39*39个超表面单元， 总面积为273*273mm²，如图11所示。超表面的口径相位分布由三部分合成，即其中分别为沿x、y方向的线性相 位，ξ_x＝ξ_y＝0.54k₀，超单元沿x、y方向均由8个基本单元组成，且沿x方向相位依次为0°，0°，0°，0°，180°，180°，180°和180°，沿y方向相位依次为0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°。为涡旋相位，l＝1、2为涡旋波束的拓扑荷。通过线性相位与涡 旋相位的叠加，在LP波激发下，超表面可以在空间对称4个方向上形成等幅涡旋波束，在多 元通道和高信道容量领域具有潜在应用。产生多波束涡旋的主要物理在于LP波可以分解成一 对等幅LCP和RCP波。其中RCP波在x方向可形成携带任意模式轨道角动量的2个涡旋波束 且波束俯仰角为θ₁＝sin^-1(ξ_x/k₀)，同样在y方向可形成携带任意模式轨道角动量的单个涡旋波 束且波束俯仰角为θ₂＝sin^-1(ξ_y/k₀)。y方向2个对称波束分别与x方向单个波束产生干涉形成 2个新的携带相同模式的RCP涡旋波束，且新波束俯仰角为方位 角为φ＝90°±tan^-1(sinθ₁/sinθ₂)。同理，LCP入射波同样可以在空间两个正交方向产生2个对 称LCP涡旋波束，其俯仰角、方位角分别为φ＝270°±tan^-1(sinθ₁/sinθ₂)。因此，当LP波入射时能实现由2个LCP涡旋波束和2个RCP 涡旋波束组成的四波束涡旋。根据前面的分析，在干涉频段，LCP涡旋波束被全部吸收，因此 超表面只能产生2个RCP涡旋波束，因此通过变换工作频率可以实现四波束涡旋到二波束涡 旋的切换。

图12给出了LP波照射下5个典型频率8、9、9.5、10和12GHz处的三维立体散射方向图与φ＝45°二维面内的散射方向图。可以看出，在非干涉频段可见对称的四个笔形波束且每个 波束中间的场强几乎为零，四个波束的方位角依次分别为φ＝45°，135°，225°与315°度。而在 9.5GHz附近的一个频段内(9.2～9.7GHz)，四个涡旋波束变成了两个RCP涡旋波束，其中两 个LCP涡旋波束被完全或部分吸收。其性能可根据φ＝45°面的二维散射方向图进行定量分析， 仿真与测试结果吻合良好，在干涉和非干涉区预期角度上形成单个和两个涡旋波束，其中干涉 区域RCP对LCP的极化消光比接近18dB。稍大的镜像反射由3个不同相位之间的相互干涉 引起。

为进一步验证涡旋波束的螺旋波前，图13给出了第2个自旋、波前控制器在LP波照射下9.5 和10.5GHz处E_y的幅度分布与相位分布。如图13(a)所示，9.5和10.5GHz处分别可以看出2个 和4个炸圈饼状的场分布，最重要的是，在与波束垂直的面内可以明显看到2个互相缠绕的螺旋 臂，为模式l＝2的涡旋轨道角动量，即纯螺旋波前。而在z＝250mm面内的场分布为沿φ＝45°和 135°方向的奇异偏折波前与螺旋波前的混合场，如图13(b)所示的四个倾斜指纹状波前，其 中轨道角动量的模式由形成分叉的数量确定，而在与波束垂直的任意面内还是纯螺旋波前。

Claims (6)

1.一种基于干涉原理的超表面自旋、波前控制器，能同时实现旋向和波前控制，其特征在于，包括两个自旋、波前控制器；其中，第一自旋、波前控制器在RCP状态下能产生无衍射贝塞尔波束，在LCP状态下能实现雷达散射横截面(RCS)减缩；第二自旋、波前控制器在LP波不同频率处能实现4波束涡旋到2波束涡旋的切换；所述自旋、波前控制器是一种超表面，由M*N个具有相同结构参数但不同旋转角度Φ的超表面单元在二维平面内以px*py为周期等间距排列组成；所述自旋、波前控制器的超表面单元具有二极管式圆极化二向色性，在不同位置处的整体旋转角度根据所实现功能和几何贝尔相位计算确定。

2.根据权利要求1所述的超表面自旋、波前控制器，其特征在于，所述第一自旋、波前控制器1中，M＝N＝31，所述第二自旋、波前控制器中，M＝N＝39，单元结构参数处处相同，只是每个单元结构旋转角度均不同。

3.根据权利要求2所述的超表面自旋、波前控制器，其特征在于，所述的具有二极管式圆极化二向色性的单层超表面单元，由下层金属地板、中层介质板以及上层金属结构组成；所述上层金属结构包括两个独立谐振结构：一个为大开口环谐振器，记为SRR₁，另一个为小开口环谐振器，记为SRR₂，用于形成干涉的两个主体部分；SRR₂在SRR₁里面，在反射体系下他们的同极化反射系数均接近于1，SRR₁与SRR₂的开口方向相差ψ＝45°，用于在右旋(RCP)和左旋(LCP)圆极化波照射下形成±90°的几何贝尔相位差，通过调整SRR₁与SRR₂的外半径R₁和R₂可以调整他们在圆极化波照射下的传输相位，并使得传输相位差为-90°；这样通过在超表面单元内部同时引入几何贝尔相位与传输相位，可使SRR₁与SRR₂的总体相位差为0°和180°，构成等幅同相相长干涉和等幅反相相消干涉的条件。

4.根据权利要求3所述的超表面自旋、波前控制器，其特征在于，SRR₁与SRR₂的结构参数如下：R₁＝2.2,R₂＝1.4,w＝0.6,p_x＝p_y＝7mm,ψ＝45°或ψ＝-45°，其开口宽度分别为2mm和1.5mm；这里R₁、R_2分别为SRR₁、SRR₂的外半径，w为SRR₁、SRR₂的宽度，p_x、p_y为单元在x、y方向上的拓展周期，ψ为SRR₂开口相对于SRR₁开口的旋转角度。

5.一种基于干涉原理的超表面自旋、波前控制器的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：建立超表面单元实现二极管式二向色性的设计准则

假设任意极化角θ的线极化波(LP)垂直入射到超表面，根据琼斯矩阵它可以分解为等幅的LCP和RCP分量，即：

这里，E₊ ^inc＝(cosθ-isinθ)/2为RCP分量，E_- ^inc＝(cosθ+isinθ)/2为LCP分量；

由于在超表面单元中同时引入了几何贝尔相位和传输相位，单独SRR₁和SRR₂在RCP分量下的反射场为：

同理，它们在LCP分量下的反射场为：

不考虑SRR₁和SRR₂在一起时的互耦，它们在任意θ极化角LP波下的反射总场为：

在同极化反射体系下，交叉圆极化分量忽略，式(3)简化为：

由于反射体系下，有|r₁₊₊|≈|r₂₊₊|≈1和|r_1--|≈|r_2--|≈1；由式(4)可知其余变量Φ和ψ对于二极管式非对称反射特性起决定作用，于是在LCP和RCP波下，为使E_com-和E_com+中的一个最大而另一个最小，必须满足下列准则：

由式(5)，得两种情形下方程的唯一解分别为：ψ＝-45°，以及ψ＝45°，此即为二极管式自旋调控设计的一般准则；

当LCP下满足第一条准则：ψ＝-45°时，基于同相相长干涉和反相相消干涉可以实现LCP分量的完美100％反射以及RCP分量的完美吸收；同理，

当RCP下满足第二条准则：ψ＝45°时，基于同相相长干涉和反相相消干涉可以实现RCP分量的完美100％反射以及LCP分量的完美吸收；

当满足上述准则时，二极管式圆极化调控器具有稳定的二向色性；

根据上述准则，LCP和RCP分量的反射率可以通过调谐SRR₂的旋转角ψ在0°～180°或-180°～0°范围内变化来连续调谐；

第二步：根据上述准则、工作频率和不同圆极化波分量的反射率确定单元结构和尺寸

以第一步所述二极管式圆极化二向色性设计准则为依据，再根据工作频率和不同圆极化波分量的反射率来确定单元结构和尺寸，主要根据工作频率处SRR₁的SRR₂的相位差来确定结构参数；设定单元为方形且周期p_x＝p_y，两个开口环谐振器SRR₁、SRR₂环的开口宽度w相同，于是，只需根据相位差优化外半径和开口宽度；

第三步：根据工作频率、功能，确定超表面尺寸以及不同位置处单元的旋转角度

根据第一步和第二步确定的单元结构，再根据工作频率以及实现的功能确定所述自旋、波前控制器的尺寸和不同位置处超表面单元的旋转角度Φ；超表面尺寸(M*N)确定如下：

首先，由频率确定波长λ，然后根据λ确定超表面尺寸，为保证性能，超表面尺寸大于7λ；

实现无衍射贝塞尔波束时，其旋转角由下式确定：

这里F为贝塞尔波束的长焦距，R为超表面口径尺寸的一半；

实现多波束涡旋波束时，其旋转角由下式确定：

这里，和分别为沿x、y方向的线性相位；为涡旋相位，ξ_x和ξ_y为梯度且l＝1、2为涡旋波束的拓扑荷；

根据旋转角Φ分布和单元结构参数，通过旋转复合单元结构并基于寻根算法，在CST中利用VBA宏建立自旋、波前控制器的拓扑结构；其中，第一个自旋、波前控制器能在RCP状态下能产生无衍射贝塞尔波束，而在LCP状态实现雷达散射横截面减缩；第二个自旋、波前控制器能在LP波不同频率处能实现4波束涡旋到2波束涡旋的切换。

6.根据权利要求1所述设计方法，其特征在于，第二步中优化外半径和开口宽度的操作如下：

首先，根据特定频率及中心工作频率f₀，以及相位差初步单独设计外半径R₁和R₂，先大致确定R₁和R₂，使得f₀落在SRR₁的高频、低频模式中间而靠近SRR₂的低频模式；然后，在商业仿真软件CST中建立包含SRR₁与SRR₂的复合单元模型，在考虑耦合情形下；细调SRR₁、SRR₂的开口宽度，使LCP和RCP两种情形下的相位差精确为180°。