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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.

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.543744

附作者簡(jiǎn)介：

第一作者，湯鵬程，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院在讀博士研究生，導(dǎo)師為司黎明教授。主要研究方向?yàn)橹悄艹砻妗⒅悄茈姶趴刂啤⑻掌澕夹g(shù)與應(yīng)用。在Photonics Research, Optics Express, Optics & Laser Technology 等期刊和國(guó)際會(huì)議發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇。曾獲2023和2024學(xué)年北京理工大學(xué)一等獎(jiǎng)學(xué)金。

通訊作者，司黎明，北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，集成電路與電子學(xué)院副院長(zhǎng)，睿信書(shū)院輪值副院長(zhǎng)，IEEE高級(jí)會(huì)員、中國(guó)電子學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、中國(guó)通信學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員。長(zhǎng)期從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的教學(xué)和研究工作，涉及天線(xiàn)理論與技術(shù)、智能電磁控制、太赫茲技術(shù)與應(yīng)用。主持和參與國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、973、863、173、民用航天等科研項(xiàng)目30余項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)外刊物和國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文160余篇，受邀作大會(huì)報(bào)告十余次，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利十余項(xiàng)。擔(dān)任多個(gè)國(guó)際SCI學(xué)術(shù)期刊編委和專(zhuān)刊客座編輯。現(xiàn)任中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)電子計(jì)量專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任委員、全國(guó)人工智能計(jì)量協(xié)同創(chuàng)新生態(tài)伙伴聯(lián)盟理事會(huì)理事、智能超表面技術(shù)聯(lián)盟理事、中國(guó)材料學(xué)會(huì)超材料分會(huì)理事、并擔(dān)任國(guó)家自然科學(xué)基金通信評(píng)議人、教育部學(xué)科評(píng)議組成員、北京市科委科技專(zhuān)家，以及多個(gè)期刊審稿專(zhuān)家。榮獲北京高校優(yōu)質(zhì)本科教材課件、北京理工大學(xué)教學(xué)名師、“我愛(ài)我?guī)煛弊钍軐W(xué)生喜愛(ài)的教師、伍捍東魏茂華微波信息優(yōu)秀教師獎(jiǎng)、迪文優(yōu)秀教師獎(jiǎng)、教書(shū)育人類(lèi)表彰等。