近日，哈尔滨工业大学贾敏教授、赵超博士研究团队在全空间太赫兹波束调控领域取得重要进展。该研究团队提出了一种全空间光控太赫兹可重构超构表面（OOCTRM）与多功能阵列调控系统的协同设计方案，攻克了传统电控超构表面布线复杂及调控空间受限的难题，成功实现了“软件定义”的全空间太赫兹波束灵活操纵。该成果展示了OOCTRM在反射、透射及电磁隐身三种模式下的实时切换能力，不仅解决了‘既要全向通信、又要隐身突防’的协同难题，更在智能隐身蒙皮、6G通信及太赫兹隐身雷达等领域展现出广阔的应用潜力，为构建未来的‘软件定义电磁空间’提供了全新的硬件架构。该研究成果发表于美国光学学会老牌旗舰期刊Optics Express。
太赫兹（THz）技术被誉为改变未来世界的十大技术之一，在下一代无线通信（6G）、高分辨率成像及国防安全等领域具有巨大的应用潜力。而在这些应用中，如何灵活、高效地操控太赫兹波束的波前（如偏转、聚焦、全息成像）是核心关键。然而，现有的太赫兹波束调控技术正受困于“物理硬件”的刚性束缚，面临三大核心瓶颈：1.物理互连的“枷锁”：传统电控超构表面依赖大规模、复杂的物理馈电网络。这不仅导致系统体积臃肿、寄生效应显著，更难以适应太赫兹频段对高集成度与低损耗的严苛要求。2.全空间调控的“盲区”：现有设计大多被禁锢在单一的反射或透射模式中，缺乏对全空间（Full-space）电磁波的连续覆盖能力，无法应对复杂电磁环境中“既要全向通信、又要隐身突防”的协同作战需求。3.软硬分离的“鸿沟”：传统器件一旦制备完成，其功能即被固化，缺乏与上层算法实时交互的能力，难以通过软件指令灵活重构底层电磁响应。
针对上述挑战，本研究并未止步于材料层面的改进，而是创造性地提出了一种无接触式、全空间覆盖且“软件定义”的动态调控架构。通过构建“感知-决策-执行”的闭环系统，我们将太赫兹超构表面从被动的“硬件器件”升级为可实时编程的 “智能电磁终端”，让太赫兹波束的调控如同运行软件程序般灵活、高效。
图1.全向光控太赫兹可重构超构表面与多功能波束调控系统的协同设计：全空间波束的软件定义灵活调控。
图2. 全向光控太赫兹可重构超构表面单元结构示意图。
针对上述痛点，哈尔滨工业大学团队提出了一种基于光敏硅（Photosensitive Silicon）和二氧化钒（VO2）的全向光控太赫兹可重构超构表面。1. 无线光控，摆脱导线束缚：不同于传统的电控二极管方案，该研究利用光敏硅在泵浦光照射下电导率发生剧烈变化的特性（光生载流子效应）。通过DMD（数字微镜器件）将特定的编码图案直接投射到超构表面上，无需任何物理导线连接，即可实现对太赫兹波相位的1-bit编码调制。2. VO2相变，全空间模式切换：为了打破反射与透射的壁垒，研究团队在结构中巧妙引入了相变材料二氧化钒（VO2）。高温态（金属态）： VO2导电率高达 3×105S/m，表现为反射层，超构表面工作在反射模式。低温态（绝缘态）： VO2导电率降至 200S/m，表现为透波层，超构表面切换至透射模式。这种“光控编码+温控模态”的协同设计，使得单一器件能够同时覆盖前向和后向的电磁空间。
软件定义的“三种模式”
该工作不仅仅是硬件层面的创新，更在于系统的集成。团队开发了一套基于“感知-决策-交互-执行”闭环的软件定义波束控制系统，实现了三种关键功能的实时切换：
图3. OOCTRM的三种工作模式示意图：全空间反探测、全空间反射、全空间透射。
图4. OOCTRM的全空间动态涡旋波调控。
软件定义：所见即所得的智能交互
图5：哈工大团队自主研发的太赫兹多功能波束控制系统软件界面。
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闭环控制：系统集成了物理感知层、算法优化层和实时交互层。
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智能逆向设计：用户只需在软件端输入期望的波束指向（如 θ=30∘）或功能（如OAM模态 l=+1），内置的遗传算法模块即可自动反演计算出所需的“光场泵浦图案”，并通过FPGA驱动DMD投影系统实时加载到超构表面上。 这种设计将超构表面从被动的执行器件升级为具备智能决策能力的终端。
该项研究展示了一种高集成度、低成本且无电磁干扰的太赫兹调控新方法。其“全向”与“光控”的特性使其在智能隐身蒙皮、6G智能超表面（RIS）、太赫兹全息成像等领域极具应用前景。哈尔滨工业大学团队的这一成果，不仅为多物理场调控提供了新思路，也为未来软件定义电磁空间（Software-Defined Electromagnetic Space）的构建奠定了坚实的硬件与算法基础。
论文信息
标题： Cooperative design of omnidirectional optically controlled terahertz reconfigurable metasurface and multifunctional beam steering system: software-defined flexible manipulation of full-space beams
期刊：Optics Express (2025, Vol. 33, No. 26)
作者： Chao Zhao, Min Jia*, Yifan Ma, Gaole Fan, Rong Lu, Qing Guo, Yanhong Tian, Siyuan Yu
第一单位：哈尔滨工业大学电子与信息工程学院通信技术研究所 (Communication Research Center, School of Electronics and Information Engineering, Harbin Institute of Technology)
DOI：https://doi.org/10.1364/OE.581334
供稿：课题组
