Digital coding metasurfaces composed of subwavelength meta-atoms can flexibly control electromagnetic waves to achieve holography, which has great potential in millimeter-wave imaging systems and data storage. In this paper, we propose a 3-bit reflective digital coding metasurface. The incident linearly polarized waves can be transformed into cross-polarized components with distinct phase responses by adjusting the rotational and open angles of the coding elements. The 3-bit phase performance can be retained over a wide bandwidth from 12 to 18 GHz by simultaneously changing the rotational and open angles. Based on the proposed broadband metasurface, broadband holography is successfully demonstrated with the optimization of a modified Gerchberg–Saxton algorithm. As a proof of concept, five schemes with different holograms integrating the letters “S,” “E,” “U,” “X,” and “Z” are simulated from 12 to 18 GHz. Good simulation results validate the performance of the proposed broadband holography, showing a relative bandwidth of 40%. Two prototypes superposing the holograms of letters “U” and “X” are fabricated and measured in a near-field microwave anechoic chamber. The experimental results corroborate well with simulated results, further supporting the demonstration. We believe that the proposed broadband holography based on the digital coding metasurface paves a way to wideband applications for microwave imaging, information processing, and holographic data storage.

1.
N.
Yu
,
P.
Genevet
,
M. A.
Kats
,
F.
Aieta
,
J.-P.
Tetienne
,
F.
Capasso
, and
Z.
Gaburro
,
Science
334
,
333
337
(
2011
).
2.
J. B.
Pendry
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
3966
3969
(
2000
).
3.
Q.
Ma
,
Z. L.
Mei
,
S. K.
Zhu
,
T. Y.
Jin
, and
T. J.
Cui
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
173901
(
2013
).
4.
R.
Liu
,
C.
Ji
,
J. J.
Mock
,
J. Y.
Chin
,
T. J.
Cui
, and
D. R.
Smith
,
Science
323
,
366
369
(
2009
).
5.
Y.
Yang
,
L.
Jing
,
B.
Zheng
,
R.
Hao
,
W.
Yin
,
E.
Li
,
C. M.
Soukoulis
, and
H.
Chen
,
Adv. Mater.
28
,
6866
6871
(
2016
).
6.
T. J.
Cui
,
M. Q.
Qi
,
X.
Wan
,
J.
Zhao
, and
Q.
Cheng
,
Light: Sci. Appl.
3
,
e218
e218
(
2014
).
7.
T. J.
Cui
,
L.
Li
,
S.
Liu
,
Q.
Ma
,
L.
Zhang
,
X.
Wan
,
W. X.
Jiang
, and
Q.
Cheng
,
iScience
23
,
101403
(
2020
).
8.
T. J.
Cui
,
S.
Liu
, and
L.
Zhang
,
J. Mater. Chem. C
5
,
3644
3668
(
2017
).
9.
Q.
Ma
and
T. J.
Cui
,
PhotoniX 
1
,
1
(
2020
).
10.
S.
Liu
,
T. J.
Cui
,
L.
Zhang
,
Q.
Xu
,
Q.
Wang
,
X.
Wan
,
J. Q.
Gu
,
W. X.
Tang
,
M.
Qing Qi
,
J. G.
Han
,
W. L.
Zhang
,
X. Y.
Zhou
, and
Q.
Cheng
,
Adv. Sci.
3
,
1600156
(
2016
).
11.
R. Y.
Wu
,
C. B.
Shi
,
S.
Liu
,
W.
Wu
, and
T. J.
Cui
,
Adv. Opt. Mater.
6
,
1701236
(
2018
).
12.
L.
Bao
,
R. Y.
Wu
,
X.
Fu
,
Q.
Ma
,
G. D.
Bai
,
J.
Mu
,
R.
Jiang
, and
T. J.
Cui
,
IEEE Trans. Antennas Propag.
67
,
6680
6685
(
2019
).
13.
L.
Bao
,
R. Y.
Wu
,
X.
Fu
, and
T. J.
Cui
,
Ann. Phys.
532
,
2000069
(
2020
).
14.
T.-J.
Cui
,
S.
Liu
, and
L.-L.
Li
,
Light: Sci. Appl.
5
,
e16172
e16172
(
2016
).
15.
H.
Wu
,
G. D.
Bai
,
S.
Liu
,
L.
Li
,
X.
Wan
,
Q.
Cheng
, and
T. J.
Cui
,
Natl. Sci. Rev.
7
,
561
571
(
2020
).
16.
H.
Wu
,
X. X.
Gao
,
L.
Zhang
,
G. D.
Bai
,
Q.
Cheng
,
L.
Li
, and
T. J.
Cui
,
Light: Sci. Appl.
9
,
198
(
2020
).
17.
Q.
Ma
,
G. D.
Bai
,
H. B.
Jing
,
C.
Yang
,
L.
Li
, and
T. J.
Cui
,
Light: Sci. Appl.
8
,
98
(
2019
).
18.
Q.
Ma
,
Q. R.
Hong
,
X. X.
Gao
,
H. B.
Jing
,
C.
Liu
,
G. D.
Bai
,
Q.
Cheng
, and
T. J.
Cui
,
Nanophotonics
9
,
3271
3278
(
2020
).
19.
Q.
Ma
,
Q. R.
Hong
,
G. D.
Bai
,
H. B.
Jing
,
R. Y.
Wu
,
L.
Bao
,
Q.
Cheng
, and
T. J.
Cui
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
021003
(
2020
).
20.
L.
Chen
,
Q.
Ma
,
Q. F.
Nie
,
Q. R.
Hong
,
H. Y.
Cui
,
Y.
Ruan
, and
T. J.
Cui
,
Photonics Res.
9
,
116
(
2021
).
21.
L.
Zhang
,
S.
Liu
,
L.
Li
, and
T. J.
Cui
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
36447
36455
(
2017
).
22.
Q.
Ma
,
C. B.
Shi
,
G. D.
Bai
,
T. Y.
Chen
,
A.
Noor
, and
T. J.
Cui
,
Adv. Opt. Mater.
5
,
1700548
(
2017
).
23.
L.
Zhang
,
X. Q.
Chen
,
R. W.
Shao
,
J. Y.
Dai
,
Q.
Cheng
,
G.
Castaldi
,
V.
Galdi
, and
T. J.
Cui
,
Adv. Mater.
31
,
1904069
(
2019
).
24.
Q.
Ma
,
L.
Chen
,
H. B.
Jing
,
Q. R.
Hong
,
H. Y.
Cui
,
Y.
Liu
,
L.
Li
, and
T. J.
Cui
,
Adv. Opt. Mater.
7
,
1901285
(
2019
).
25.
L.
Zhang
,
X. Q.
Chen
,
S.
Liu
,
Q.
Zhang
,
J.
Zhao
,
J. Y.
Dai
,
G. D.
Bai
,
X.
Wan
,
Q.
Cheng
,
G.
Castaldi
,
V.
Galdi
, and
T. J.
Cui
,
Nat. Commun.
9
,
4334
(
2018
).
26.
L.
Li
,
Y.
Shuang
,
Q.
Ma
,
H.
Li
,
H.
Zhao
,
M.
Wei
,
C.
Liu
,
C.
Hao
,
C.-W.
Qiu
, and
T. J.
Cui
,
Light: Sci. Appl.
8
,
97
(
2019
).
27.
T. J.
Cui
,
S.
Liu
,
G. D.
Bai
, and
Q.
Ma
,
Research
2019
,
1
12
(
2019
).
28.
J.
Zhao
,
X.
Yang
,
J. Y.
Dai
,
Q.
Cheng
,
X.
Li
,
N. H.
Qi
,
J. C.
Ke
,
G. D.
Bai
,
S.
Liu
,
S.
Jin
,
A.
Alù
, and
T. J.
Cui
,
Natl. Sci. Rev.
6
,
231
238
(
2019
).
29.
L.
Zhang
,
M. Z.
Chen
,
W.
Tang
,
J. Y.
Dai
,
L.
Miao
,
X. Y.
Zhou
,
S.
Jin
,
Q.
Cheng
, and
T. J.
Cui
,
Nat. Electron.
4
,
218
227
(
2021
).
30.
R.
Zhao
,
L.
Huang
, and
Y.
Wang
,
PhotoniX 
1
,
20
(
2020
).
31.
L.
Huang
,
X.
Chen
,
H.
Mühlenbernd
,
H.
Zhang
,
S.
Chen
,
B.
Bai
,
Q.
Tan
,
G.
Jin
,
K.-W.
Cheah
,
C.-W.
Qiu
,
J.
Li
,
T.
Zentgraf
, and
S.
Zhang
,
Nat. Commun.
4
,
2808
(
2013
).
32.
S.
Iqbal
,
H.
Rajabalipanah
,
L.
Zhang
,
X.
Qiang
,
A.
Abdolali
, and
T. J.
Cui
,
Nanophotonics
9
,
703
714
(
2020
).
33.
G.
Zheng
,
H.
Mühlenbernd
,
M.
Kenney
,
G.
Li
,
T.
Zentgraf
, and
S.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
308
312
(
2015
).
34.
Y.
Mu
,
M.
Zheng
,
J.
Qi
,
H.
Li
, and
J.
Qiu
,
Nanophotonics
9
,
4749
4759
(
2020
).
35.
G.-Y.
Lee
,
G.
Yoon
,
S.-Y.
Lee
,
H.
Yun
,
J.
Cho
,
K.
Lee
,
H.
Kim
,
J.
Rho
, and
B.
Lee
,
Nanoscale
10
,
4237
4245
(
2018
).
36.
D.
Wen
,
F.
Yue
,
G.
Li
,
G.
Zheng
,
K.
Chan
,
S.
Chen
,
M.
Chen
,
K. F.
Li
,
P. W. H.
Wong
,
K. W.
Cheah
,
E.
Yue Bun Pun
,
S.
Zhang
, and
X.
Chen
,
Nat. Commun.
6
,
8241
(
2015
).
37.
H.
Ren
,
W.
Shao
,
Y.
Li
,
F.
Salim
, and
M.
Gu
,
Sci. Adv.
6
,
eaaz4261
(
2020
).
38.
R.
Zhao
,
B.
Sain
,
Q.
Wei
,
C.
Tang
,
X.
Li
,
T.
Weiss
,
L.
Huang
,
Y.
Wang
, and
T.
Zentgraf
,
Light: Sci. Appl.
7
,
95
(
2018
).
39.
Q.
Xiao
,
Q.
Ma
,
T.
Yan
,
L. W.
Wu
,
C.
Liu
,
Z. X.
Wang
,
X.
Wan
,
Q.
Cheng
, and
T. J.
Cui
,
Adv. Opt. Mater.
9
,
2002155
(
2021
).
40.
H.
Ren
,
G.
Briere
,
X.
Fang
,
P.
Ni
,
R.
Sawant
,
S.
Héron
,
S.
Chenot
,
S.
Vézian
,
B.
Damilano
,
V.
Brändli
,
S. A.
Maier
, and
P.
Genevet
,
Nat. Commun.
10
,
2986
(
2019
).
41.
L.
Li
,
T.
Jun Cui
,
W.
Ji
,
S.
Liu
,
J.
Ding
,
X.
Wan
,
Y.
Bo Li
,
M.
Jiang
,
C.-W.
Qiu
, and
S.
Zhang
,
Nat. Commun.
8
,
197
(
2017
).
42.
T.
Yan
,
Q.
Ma
,
S.
Sun
,
Q.
Xiao
,
I.
Shahid
,
X.
Gao
, and
T. J.
Cui
,
Adv. Theory Simul.
4
,
2100046
(
2021
).
43.
J. W.
You
,
Q.
Ma
,
Z.
Lan
,
Q.
Xiao
,
N. C.
Panoiu
, and
T. J.
Cui
,
Nat. Commun.
12
,
5468
(
2021
).
44.
Y. Z.
Cheng
,
W.
Withayachumnankul
,
A.
Upadhyay
,
D.
Headland
,
Y.
Nie
,
R. Z.
Gong
,
M.
Bhaskaran
,
S.
Sriram
, and
D.
Abbott
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
181111
(
2014
).
45.
X.
Ni
,
A. V.
Kildishev
, and
V. M.
Shalaev
,
Nat. Commun.
4
,
2807
(
2013
).
46.
Z. X.
Wang
,
J. W.
Wu
,
L. W.
Wu
,
Y.
Gou
,
H. F.
Ma
,
Q.
Cheng
, and
T. J.
Cui
,
Adv. Opt. Mater.
9
,
2001609
(
2021
).
You do not currently have access to this content.