摘要
对电磁波的精准调控是当代通信与信息领域技术与应用的主战场之一，其中计算全息技术则是实现波前幅度和相位信息调控的典范。与传统的全息成像技术不同，计算全息的波前重建，不需要在光学系统中对实际照明光束与物波的干涉图进行采样，而是根据预设物像信息，通过计算机计算衍射过程，得到所需的复数阵列作为全息表面，以实现对图像的重构。因此该成像系统是为在特定电磁波照射下，利用设计的光学器件实现计算求得的全息表面，直接获得所需图像的输出。传统计算全息成像主要依赖于设计光学器件表面拓扑结构或折射率空间变化实现的累积相位差，由于其调控尺寸以及能量消耗较大的的局限，这两种成像方式存在着分辨率较低、小视场、多级衍射级，以及加工工艺复杂等缺陷。惠更斯表面作为一种新兴的微型化多功能电磁波调控元件，能够在亚波长的传播范围内调控电磁波的相位、振幅、偏振状态、谐振频点等特性，为高分辨率、低噪声和高精度的全息技术提供了一种新的实现途径。与传统全息技术的实现方式相比，惠更斯表面所利用的亚波长单元结构能够有效地消除不需要的衍射模式，并且相比于光学器件，惠更斯表面的平面结构更易大面积加工制造，具有良好的工业前景。 本论文首先对基于惠更斯表面的计算全息技术的基本原理和实现方法进行分析。该技术的实现主要分为两大部分，一是在数值计算方面利用微波段成像算法求得纯相位全息图，二是设计相应的电磁波调控器件以提高全息成像的整体性能。本文采用经典的光学全息weightedGerchberg-Saxton(GSW)算法并对其进行改进，使得该算法在工作波段上从光波段拓展到微波段，在成像效果上实现焦点能量汇聚并保证焦点强度的均匀分布。并设计相应的惠更斯单元结构，实现所需的相移量，以作为全息表面的构建单元。首先根据边界条件和惠更斯原理，推导出单元结构表面电阻抗和磁阻抗与反射及透射系数的数值关系，根据预设的电磁响应求得所需的表面阻抗值，引入特定的电流元和磁流元模型，先后设计了反射型以及透射型的惠更斯表面单元结构，这两种结构均能保证对反射波和透射波的高效率且全相位的精准调控，为高性能全息成像技术奠定了基础。 其次，通过对成像算法的优化增大计算全息成像的设计自由度，即利用权重因子对所提出的GSW全息算法进行进一步的优化，在实现各个焦点位置处电场同相叠加的基础上，对焦点间的能量分布进行进一步调控，并设计多焦点汇聚反射型惠更斯表面以及全息成像透射型惠更斯表面验证算法的可行性以及准确性，为更为复杂的多级灰度构图以及电磁波调控研究提供了新的设计思路。 而后通过对成像器件的设计提升全息成像技术的整体性能。主要对惠更斯表面这一调控元件进行研究，在保证高效全相位调控的同时，作为极化选择器应用于全息成像技术，实现正交线极化入射条件下两种相互独立的电磁波调控效果，有效地增加单个惠更斯表面的图像信息存储容量，并在不引入任何可调器件的基础上为多信道传输提供了精准高效的简易方案。此外，对惠更斯表面的工作频带进行展宽，解决了谐振型人工电磁表面中存在的工作频带窄的弊病，在实现全息成像宽带化的同时，该方案仍保证了其高分辨率和高成像效率的优势，并分析总结了宽带内成像特征随频率的变化规律，对其实际工程应用具有重要的参考价值。以上两方面的研究通过对惠更斯表面单元结构的优化增加其功用，使得多模式、高容量的全息成像技术成为可能。 最后，基于傅里叶变换特性实现全息图像变换技术。从惠更斯表面电场与散射场分布的傅里叶变换关系出发，通过在频域中对惠更斯表面进行特定的相位调制，分别实现了在时域中全息图像的自旋，角度投射以及角度缩放操作，避免了全息图像的重新仿真搭建，也为其他图像处理技术提供新的思路。且该研究利用惠更斯表面实现了对电磁波在亚波长尺度内的傅里叶模拟运算，避免了数字处理技术的采样等一系列操作设备，为高通量新型计算材料提供可行的方案。
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