导读

超表面是一种将亚波长结构单元按照周期性或非周期性排列在二维表面上的人工材料，其材料性质主要来源于人工结构而非构成其结构的材料组分。通过精心设计单元结构，超表面可以灵活有效地调控电磁波的偏振、振幅、相位和传播模式等特性。到目前为止，基于超表面已经制造出许多功能器件，如超构透镜、耦合器、波片、极化转换器。将物理超表面和信息存储、传输领域中的二进制代码结合起来，可以设计出编码超表面。这种超表面能够实现同时控制电磁波和处理数字信息的目的。

目前，智能元器件正在朝着集约化、小型化等方面快速发展，这要求超表面具有较高的集成度。然而大多数超表面仅仅局限于对一两个偏振态电磁波进行调节，无法满足这一要求。因此需要探索一种新的可编程超表面范式突破限制，实现多种偏振态电磁波的动态调节。

为了解决这一问题，空军工程大学的研究团队提出了一种基于LED阵列的自旋解耦可编程编码超表面的集成范式。该范式能够独立地操纵共极化反射通道中的正交圆极化波和共极化、交叉极化反射通道中的正交线极化波的波前。在这种范式中，光敏电阻作为有源器件集成在超表面上，采用直接光控的方式改变光敏电阻阻值，实现对电磁响应的调制。这种控制方式无需大量馈线，可以降低超表面的设计复杂性，避免对电磁传输造成干扰。该成果以“Achiral light-controlled coding metasurfaces with multi-channel electromagnetic control”为题发表在Light: Advanced Manufacturing。

自旋解耦可编程编码超表面单元由四层结构组成，如图1所示。在单元结构的最下面两层对应光敏电阻的位置处进行打孔，可以保证LED阵列发出的光能够照射到光敏电阻，实现调控超表面单元的目的。光敏电阻感光面朝下接收光源激励信号。研究团队设计制造了一种LED阵列。利用计算机将超表面编码序列转换为16进制数据帧。通过USB端口、USB转换器，将数据帧传输到LED控制板中控制灯珠的通断。

图1：自旋解耦可编程编码超表面单元结构示意图

研究团队采用二波束和涡旋波束等两种常见的电磁功能，对提出的集成范式进行验证。对于二波束方案，在不同的通道中设置不同的编码周期。左旋圆极化波共极化反射通道的编码周期为M=2，右旋圆极化波共极化反射通道的编码周期为M=3，x极化波共极化反射通道的编码周期为M=4，y极化共极化反射通道的编码周期为M=5，x极化波交叉极化反射通道的编码周期为M=6，y极化波交叉极化反射通道的编码周期为M=7。以左旋圆极化波共极化反射通道为例，超表面的编码序列以及三维远场散射模式示意图分别如图2、图3所示。

图2：左旋圆极化波共极化反射通道中二波束编码序列

根据图3的示意图，超表面在左旋圆极化波共极化反射通道中产生了两个明显的散射波束。同样的，超表面也可以在其他通道中实现类似功能。由于各个通道编码周期的不同，反射波束的偏转角也是不同的。

图3：左旋圆极化波共极化反射通道中二波束三维远场散射模式示意图

对于涡旋波束方案，假设拓扑电荷为±2，在不同的通道中设置不同的波束偏转角度。正交圆极化波共极化反射通道中的偏转角度为30°，正交线极化波共极化反射通道中的偏转角度为24°，正交线极化波交叉极化反射通道中的偏转角度为18°。以左旋圆极化波共极化反射通道为例，超表面的编码序列以及三维远场散射模式示意图分别如图4、图5所示。

图4：左旋圆极化波共极化反射通道中涡旋波束编码序列

根据图5的示意图，超表面在左旋圆极化波共极化反射通道中产生的两束波束都具有螺旋型的波前结构，呈现出中心中空的环形强度分布。这符合涡旋波束的特性。同样的，超表面也可以在其他通道中实现类似功能。

图5：左旋圆极化波共极化反射通道中涡旋波束三维远场散射模式示意图

综上所述，空军工程大学的王甲富团队设计了一种基于LED阵列的自旋解耦可编程编码超表面的集成范式，突破了现有超表面仅仅局限于对一两个偏振态电磁波进行调节的限制，实现了对多种偏振态电磁波的动态调节。这项工作满足实际中智能元器件对高集成度的要求，为超表面集约化、小型化的发展提供了一个新的思路，具有广阔的应用前景。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2025.013