空军工程大学张迟犇AM：超快空时太赫兹波前同步- 大数跨境

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空军工程大学张迟犇AM：超快空时太赫兹波前同步

两江科技评论

2026-03-06

导读：近日，空军工程大学张迟犇讲师提出了一种超快空时太赫兹波前同步方法，实现了皮秒级高同步全息成像、大视场波束偏折以及超快波束频扫等多种波前调制功能，为太赫兹信号的主动高速调控提供新思路，对基于智能人工材料

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导读

为了应对未来6G无线通信高速率、低时延与高可靠性的迫切需求，这就需要实现能够对太赫兹波在空间域、时间域与波域实现高速任意同步调控，从而解决路径损耗大、视场角小和频谱链路不足等问题。近日，空军工程大学张迟犇讲师提出了一种超快空时太赫兹波前同步方法，实现了皮秒级高同步全息成像、大视场波束偏折以及超快波束频扫等多种波前调制功能，为太赫兹信号的主动高速调控提供了新思路，对基于智能人工材料的下一代光子-太赫兹通信系统具有重要意义。该成果以“Space-Time Wavefront Synchronized Terahertz Metasurface”为题发表在国际著名期刊《Advanced Materials》上。空军工程大学讲师张迟犇为该论文第一作者，空军工程大学博士研究生张晶、军事科学院娄菁博士为共同第一作者，军事科学院常超教授、娄菁博士，南方科技大学丛龙庆副教授，欧阳晓平院士和新加坡南洋理工大学胡光维副教授为论文共同通讯作者。上海交通大学朱卫仁副教授、西北工业大学李振飞副教授、空军工程大学李宁副教授、李龙跃副教授、赵思源讲师、袁鸿平博士生作为共同作者。

研究背景

即将到来的第六代（6G）无线感知系统倾向于采用更高的载波频率以获取更丰富的频谱资源、更大的数据容量与速率、更快的信号处理速度以及更多样化的功能。系统表现主要依赖于能够在空间、时间与波域满足定制化需求的动态波前调控技术，从而支撑构造多功能、可编程器件。然而，该领域仍存在若干关键挑战：第一，现有绝大多数电磁相控阵仅工作于反射模式，因其馈电结构更易实现且效率通常更高，这使得透射空间的研究与应用被严重忽视，进而限制了移动终端的空间覆盖范围，若能在双空间（透射空间与反射空间）内同时实现功能调控，将显著提升移动通信性能，进一步若在此空间范围内进一步实现时域动态调控（空时波前调控），则对保障高质量、低时延、高安全性通信尤为关键，但现有相关技术仍不成熟；第二，现有太赫兹可调超构表面响应速度较低，无法实现超快（皮秒级响应）波前调控，时间响应特性是直接影响通信系统实时性能与信号处理任务计算吞吐量的核心指标。进一步，对于动态波束扫描而言，现有技术扫描周期（>N×t_switch）受限于开关时间，而无法在单调控周期（单脉冲）内实现全角度扫描遍历，这极大影响了扫描探测效率，如图1所示。第三，超宽带工作频率可为太赫兹主动波调控器件提供更多的编码自由度，同时单层超构表面具备25%的透反射调控效率极限，高调制深度通常需要高能量注入，所以，如何实现超宽带、高透反射调控效率、低泵浦能量密度以及高调制效率仍亟需研究。因此，开发兼具透反射双空间同步、超快响应、超宽带、高透反射调控效率、低泵浦能量密度和高调制效率的新型太赫兹波前调控器件，已成为当前研究的核心挑战。

研究亮点

针对上述挑战，本工作分别从“能量–时间”与“频率–时间”调控角度设计了两类三种太赫兹空时超构表面，它们在脉冲光激发下均具备皮秒级（<250 ps）的调制速度，且相对工作带宽可达81.4%（0.51 THz-1.21 THz），在100 μJ/cm² 的低能量密度泵浦光调控下，调制深度在透射模式和反射模式下均大于95%；在全息实验中，超构表面表现出双空间全息同步特性，相似度在宽带范围内均大于92.2%；在波束偏折实验中，实现了了4×42°的宽视场角波束覆盖和超快能量调制，以及首次在250 ps的单泵浦脉冲周期内实验实现了4×21.8°的超快波束频率扫描。上述实验结果验证了基于超构表面的超快太赫兹波前同步调控方法的可行性，为太赫兹信号的主动调控提供了新思路，对下一代光子–太赫兹通信系统具有重要意义，有望应用于全息加密、信息同步等场景，如图2所示。

图1 空时波前同步超构表面及特点对比。（a）超构表面具备双空间（透射和反射空间）太赫兹波前超快调控能力（波束偏折、全息成像）。（b）传统电控与单泵浦光控波束扫描方法对比。（c）性能对比雷达图。

图2 空时同步超构表面在太赫兹通信场景中的潜在应用示意图（全息加密、信息同步等）。

图 3 双空间同步全息超构表面。宽带入射条件下，不同切面处反射空间与透射空间的全息成像（a）仿真结果（b）测试结果。

图 4 能量调控大视场超构表面。（a）全空间波束偏折示意图。（b）偏折二维远场方向图。（c）测试全空间波束散射能量。（d）透射空间和（e）反射空间光控能量调控。

图5 时频超快波束扫描超构表面。（a）基于改进型 Z 形结构单元结构。（b）加工图。（c）透射与反射远场测试系统。光控单元频率移动（d）仿真结果和（f）实验结果。（e）无光和（g）有CW光全空间远场散射的实验测试与理论预测结果。（h）波束偏转角随泵浦光入射时间变化。

总结与展望

本文基于光控太赫兹超构表面提出了可在空间域、时间域与波域对电磁信号实现多自由度空时同步调控方法，根据不同的相位排布和设计思路实现了双空间全息同步、能量可控大视场偏折、时频超快扫描等动态波前功能，证实了调控方法的正确性和可行性。本工作还可进一步拓展至非线性辐射源、超透镜等领域，在通信系统中双空间同步能力也有望应用于锁相环、延迟线与帧同步器等器件中。总体而言，我们认为所提出的高同步、宽扫描范围与低时延的空时同步超构表面可在智能通信等无线通信场景中得到应用，并服务于下一代6G 无线通信以及前沿军事装备应用。

该工作得到国家自然科学基金（12225511, 12304354, T2241002, 72071209, 62335011, 62401620），陕西省自然科学基础研究计划（2023-JC-QN-0647），陕西省人工结构功能材料与器件重点实验室开放基金（AFMD-KFJJ-24204），陕西省“三秦学者”创新团队支持计划。