撰稿人 |徐航
论文题目 |Non-local metasurface generates highly efficient transmission vortex by intrinsic singularity and generalized kerker effect
作者|徐航，陈靖光，王博，李辉，宋春宇，谭琪，赵正义，刘文哲*，石磊*，李杰*，姚建铨*
完成单位 |天津大学，复旦大学，河南大学，成都信息工程大学
研究背景
涡旋光场凭借其螺旋相位波前特性，在通信、雷达成像等领域展现出重要价值。尤其在未来6G通信中，毫米波段轨道角动量可作为全新复用维度，叠加传统偏振、频率等资源，显著提升通信速率与容量，满足海量设备接入场景的超高速传输需求，同时其模态依赖的解调机制赋予通信天然保密性，契合未来电子信息对抗需求。然而，随着应用深化，涡旋光场的多维调控与器件集成化成为关键挑战。
传统涡旋光生成依赖Q波片、螺旋相位板等光学元件，近年来局域超构表面（Metasurface）因其亚波长相位调控能力成为研究热点。其通过阵列单元设计，在毫米波至光波段实现精准波前操控，兼具轻薄化与多维度调控优势。例如，惠更斯局域超构表面通过调控电/磁偶极子共振，可生成高方向性涡旋波束。但此类设计受限于几何对称结构与局域共振特性，存在对准容差敏感、窄带调控困难，宽带特性易导致信号串扰等问题。
针对上述瓶颈，基于二维全介质光子晶体的非局域方案应运而生。非局域效应强调电磁波与结构相互作用时，响应由全局集体行为主导，而非单元独立特性。这种机制使器件具备“免校准”优势：即使入射光束偏移或距离变化，涡旋中心仍能自动对齐，同时支持窄带精准调控以抑制串扰。二维全介质光子晶体薄膜通过动量空间拓扑奇点形成涡旋相位，但受限于单一介质结构，转换效率普遍低于25%，且缺乏动态调控能力。
因此，融合局域超构表面高调控自由度与非局域设计免校准优势的新型方案亟待突破。实现高效非局域涡旋光场生成，不仅可提升实际操作的鲁棒性，还能为6G通信、量子信息等领域提供高精度波束调控技术。未来，结合可编码器件实现动态波前调控，将是适应复杂通信环境与多样化应用的核心方向。
导读
近日，天津大学与复旦大学联合研究团队，聚焦光学超表面设计与毫米波通信技术的交叉创新，提出一种新型非局域超表面。该结构开创性的通过光子的本征自旋-轨道相互作用与多极子间的广义Kerker效应使非局域涡旋波束的产生效率显著提高，整体的非局域涡旋转换效率在工作频率40 GHz附近达到了19.6%，是对照组的2.1倍。研究通过融合局域相位调控与非局域集体响应优势，解决非局域涡旋波束产生效率与灵活调控间的矛盾，为高频毫米波高容量通信提供核心器件与理论支持。实现涡旋光场的高效非局域化产生，不仅能够在实际操作时具备免校准特性，也可以在窄带范围内有效避免串扰，使其在选定波长上实现精准的波束调控，为相关领域的进一步发展提供新的理论支持和技术途径。
主要研究内容
研究团队提出了一种利用偶极散射体的本征奇点（Intrinsic singularity）并通过非局域耦合增强其性能来生成涡旋光束的新型高效方法。团队证明了偶极子散射模式中的本征奇点——振幅零点，能够将自旋角动量转换为轨道角动量，从而产生涡旋电场分布，并通过电偶与磁偶极子（electric dipole，ED与 magnetic dipole，MD）谐振间的广义Kerker效应，增强了前向散射，产生了高度定向的涡旋光场。通过将这些偶极单元排列成周期性阵列，单元之间的非局域集体相互作用通过布拉格散射实现波矢的重新分布，进一步增强了光束的方向性和效率。最终通过连续域束缚态（bound states in the continuum，BIC）等现象形成了非局域涡旋超表面。实验结果表明，在39.99 GHz 时，某入射角下的非局域超表面的交叉极化透射效率达到41%（不考虑吸收损耗等可达89%）。
团队还探索了一种简化的非局域超表面结构，在降低制造复杂性的同时保留了上述关键机制。尽管进行了简化，该结构在 31.5 GHz 时仍实现了 14.1% 的整体涡旋转换效率，表明设计的核心原理可以在优化实际可扩展性的同时得以保留。
总之，这项工作展示了一种新颖、高效且无需对准的涡旋光束生成方法，简化的结构进一步增强了设计在实际应用中的实用性。这一显著优势为扩大毫米波通信容量和推进光子学应用提供了巨大潜力。
技术突破与创新
非局域涡旋超表面的设计理论新颖
开创性的将三个机制——本征奇点、广义Kerker效应和非局域耦合——有机融合。在非局域轨道角动量产生与光子的本征自旋轨道角动量转换之间做出有效衔接，建立适用于毫米波段的非局域涡旋波束传输模型。首次将单谐振时域耦合模理论（Temporal Coupled-Mode Theory，TCMT）拓展至多谐振模式耦合系统，解决当前TCMT仅适用于单一共振模式的限制。
图1在圆偏振高斯光入射条件下，检偏后的单个偶极散射体、多体聚合后的产生的远场辐射电场与相位分布；在本征奇点、广义Kerker效应和非局域耦合的共同作用下，随单元数增加，非局域涡旋辐射波形的方向性显著提高。
高效非局域涡旋波束的首次生成与毫米波段观测
通过高频毫米波频段测量系统获取非局域超构表面电磁响应特性：采用如图2(b)的圆极化毫米波透镜天线与矢量网络分析仪（vector network analyzer ，VNA）构建测试平台，样品置于可旋转支架中心轴线，利用VNA频率扫描结合样品旋转实现同极化与交叉极化的透射谱测试。使用如图2(c)的横向截面扫场成像系统，其发射端通过毫米波透镜天线激发高斯波束，接收端集成多轴位移平台与电场探头，在样品透射侧进行步进扫描，实现非局域涡旋的横向截面振幅/相位分布信息获取。
实验表明，非局域超表面在40 GHz频段的整体涡旋生成效率达19.6%，是对照组的2.1倍，且涡旋波束在较长的传输距离内维持稳定，有利于轨道角动量在大气内的信息传输，这也是首次在毫米波段实现非局域涡旋波束的产生。
图2非局域涡旋超表面样品与测试系统照片；双谐振样品与对照组的仿真与实验交叉极化透射谱、实验的横向涡旋振幅与相位分布（拓扑荷数为2）。
观点评述
本研究通过非局域超表面设计，成功实现了毫米波频段涡旋波束的高效生成与多模态调控，为光子学与通信工程的交叉创新提供了新范式。未来工作将聚焦于：
①多功能集成：结合可调材料（如液晶、相变材料），实现动态可重构非局域超表面；
②频段扩展：探索太赫兹频段的非局域调控潜力，进一步突破通信容量极限；
③性能提升：降低材料吸收损耗与优化结构，使非局域涡旋波束方向性进一步提高；利用高阶多极子产生更丰富的非局域拓扑荷数，拓宽通信容量。
主要作者介绍
徐航，师从天津大学姚建铨院士，现为天津大学精密仪器与光电子工程学院博士后/助理研究员，研究方向为电磁超构表面、天线器件以及基于激光致声的跨空-水介质通信。近三年在相关领域累计发表第一作者、第一通信作者 SCI 论文10余篇。
石磊，复旦大学物理学系教授，博士生导师，复旦大学仲英青年学者，上海市“东方学者”特聘教授，上海市优秀技术带头人，国家重点研究计划负责人，复旦大学本科生招生办公室主任，复旦大学本科生院副院长。曾荣获第十一届中国技术市场协会金桥奖突出贡献个人奖、2022年中国产学研合作创新与促进奖(个人)和2023年上海市自然科学等奖(第二完成人)。
姚建铨，中国科学院院士，现任天津大学精密仪器与光电子工程学院教授、院学位委员会主任、院名誉院长、激光与光电子研究所所长。曾获国家发明二等奖、国家教委及天津科技进步二等奖（4次）、军队科技进步一等奖、中科院特等奖、国际尤里卡博览会金奖及一级骑士勋章等。姚建铨院士团队主要从事激光与太赫兹科学技术、非线性光学频率变换、光电子技术、光通信技术等方面的研究，承担了“九五”国家重点攻关项目、国家863、973以及自然科学基金等项目30余项，并取得了丰硕的科研成果。
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