基于等离子体-超表面结构的可重构超散射器
${}^1$School of Physics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, People’s Republic of China
${}^2$Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Plasma Physics and Application Technology, Harbin 150001, People’s Republic of China
${}^3$Heilongjiang Provincial Innovation Research Center for Plasma Physics and Application Technology, Harbin 150001, People’s Republic of China
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光的散射是物理学中的一个基本问题。根据瑞利散射定律，小物体的光学响应通常是可以忽略不计的。通常情况下，具有大散射截面结构，如角反射器，其尺寸往往远大于波长。超散射器是一种亚波长散射体，在特定设计下可以超越单一通道散射极限，实现超过单通道散射限制的散射能力。超散射工程通过优化最大散射截面同时保持能量守恒和中心对称性来实现，已在微波、声学和水波等多种系统中得到了实验验证。近年来，各种新的超散射结构被提出，但大多数它们的后向散射通常是可忽略不计的，与显著的前向散射形成鲜明对比，这限制了它们在更多领域的应用。
在之前的工作中，我们发现通过精心设计，超散射器可以实现超越单通道散射极限的后向散射能力。这对于雷达、通信等领域的应用更具前景。超散射起源于亚波长尺度上的共振，可以通过工程化表面波的色散来实现。在此项研究中，我们将等离子体和超表面结合以实现超散射，并展示了通过调整等离子体中的电子密度，可以改变共振模式出现的频率，进而重构后向散射。这种结构的后向散射截面可以被广泛调节，这将为诸如散射特征工程、遥感等领域开辟新途径。
结果
结论
由于小物体的弱光学响应特性，难以在亚波长尺度上调控光。超散射器表现出强大的散射和场增强特性，但动态调制的研究仍然相对稀少。我们发现超散射器的后向散射依赖于多个角动量通道的组合，使得通过少量参数变化可以实现宽范围的调谐。首先，我们设计了一种等离子体-超表面复合结构，实现了约29倍单通道散射极限的强后向散射，其后向散射截面比完美电导体的后向散射截面大两个数量级。进一步地，我们展示了仅通过微调等离子体频率，可以将后向散射重构到0.00077 \(\lambda/(2\pi)\) 的水平，这比完美电导体的后向散射截面低两个数量级。总之，设计的亚波长散射器可以通过等离子体参数调节实现 四个数量级 范围内的后向散射截面广泛调谐。这可能为诸如传感、成像和光学开关等新的亚波长应用提供强大动力。