近日，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院司黎明教授課題組在時(shí)空編碼渦旋波超表面智能電磁控制方面取得重要進(jìn)展。課題組提出一種時(shí)空編碼渦旋波超表面理論與技術(shù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)渦旋波軌道角動(dòng)量（OAM）模式復(fù)用及功率分配的動(dòng)態(tài)智能電磁控制，如圖1所示。相關(guān)成果以“Dynamic Generation of Multiplexed Vortex Beams by a Space-Time-Coding Metasurface”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Photonics Research》（中科院1區(qū)Top期刊）上。

圖1 復(fù)用渦旋波智能電磁控制系統(tǒng)示意圖

可編程超表面通常只能實(shí)現(xiàn)對(duì)相位等單一電磁參量的離散控制，而如何動(dòng)態(tài)生成具有任意定制模式組成和功率分配的復(fù)用渦旋波仍未得到有效解決。為此，課題組提出了一種智能電磁控制理論與技術(shù)，能夠在不改變物理結(jié)構(gòu)或輸入激勵(lì)的情況下，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)生成的復(fù)用渦旋波束的軌道角動(dòng)量（OAM）模式組成和功率分配。時(shí)空編碼渦旋波超表面原型樣機(jī)在微波頻段得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由該超表面生成的OAM模式（+1/+2/+3模式）的渦旋波束，其模式純度均高于93%。同時(shí)，該超表面成功實(shí)現(xiàn)了定制功率比為1:1:1的(+1, +2, +3)模式、功率比為1:2:3的(+1, +2, +3)模式，以及功率比為1:2:2:1的(-2, -1, +1, +2)模式復(fù)用渦旋波束，驗(yàn)證了超表面在生成復(fù)用渦旋波束方面的優(yōu)異性能，如圖3-5所示。該方法可有效推廣至太赫茲、紅外和光學(xué)頻段，并在多模態(tài)復(fù)用通信、雷達(dá)和傳感系統(tǒng)中展現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力，有望推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。

圖2 微波頻段復(fù)用渦旋波超表面原型樣機(jī)

圖3 復(fù)用渦旋波生成時(shí)空編碼序列

圖4 渦旋波束實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖5 復(fù)用渦旋波束模式純度理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

論文第一完成單位為北京理工大學(xué)，第一作者為博士研究生湯鵬程，通訊作者為司黎明教授。合作者為上海交通大學(xué)朱衛(wèi)仁長(zhǎng)聘副教授、賀沖副教授等。此項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金-海淀原始創(chuàng)新聯(lián)合基金、毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題、航天九院科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金、北京理工大學(xué)基礎(chǔ)研究基金中白國(guó)際合作項(xiàng)目等支持。

文章信息：Pengcheng Tang, Liming Si*, Qianqian Yuan, Jie Tian, Jiaxuan Deng, Tianyu Ma, Xiue Bao, Chong He, Weiren Zhu, “Dynamic generation of multiplexed vortex beams by a space-time-coding metasurface,” Photonics Research, Vol. 13, No 1, pp: 225-234, 2025.