电磁超表面在产生高纯度涡旋光束和实现高分辨率成像和信息加密方面表现出极大的潜力。然而传统的微波器件面临包括体积庞大和材料损耗而导致的效率降低等应用挑战。该工作设计了基于几何相位的电磁多层超构表面结构作为有效的传输元原子，确定了优化的最小单元为四元数涡旋阵列并将其作为目标图像的像素基元。制作了一种数字图案GHz元器件，并用右手圆偏振光（RCP）进行了实验表征。实验结果与模拟结果非常吻合。该工作将经典的九网格加密方法（洛书九宫格）与超表面相结合，引入加权叠加计算技术（WeightLock），实现对目标字符的多层加密。该研究为下一代5G/6G通信系统、雷达探测和信息加密领域提供了新的策略，在智能通信和先进雷达技术中具有广阔的应用前景。
江南大学王继成团队和上海科技大学王雄团队提出一种超构四元数涡旋阵列，以此构建目标字符的像素单元，并结合经典洛书九宫格应用于信息加密。通过优化单元结构，使其达到很高的透射率以及满足180°的相位差来达到几何相位调控的条件。设计多种尺寸的阵列并模拟仿真作对比，最终确认合适的最小超构四元数涡旋阵列尺寸，以作为最小像素单元。通过仿真与实验结果表明，该团队设计的超构四元数涡旋阵列在微波段构建目标字符效果显著，并结合洛书九宫格与权重叠加计算实现对目标字符的多层加密，在微波段信息加密方面有着极好的应用潜力。相关工作以“Measurement of microwave meta-quaternion vortex arrays enabling Luoshu-WeightLock imaging encryption”为题发表在《Photonics Research》期刊上。
图1展示了为沿光传播方向产生涡旋光束(VBs)而设计的透射型超表面的布局。研究团队构建了一个20×20的超表面阵列，以产生具有不同拓扑电荷的涡旋光束。此外，还采用了2×2超构四元数涡旋阵列来形成目标数字图案的像素元素。当RCP光束入射时，可在超表面后方指定距离的观测平面上观测到涡旋光束和相应的目标数字图案。通过设计与各种数字图案相对应的像素超表面的排列，以生成所需的目标图案。此外，通过结合经典的洛书九宫格和加权叠加计算，可对目标明文进行多层加密，从而实现加密功能。
图1. 沿光传播方向产生涡旋光束的透射超表面示意图。超表面采用最小尺寸阵列为目标图像产生涡旋像素点，结合基于权重计算实现字符的多层加密
本研究设计了一种多层金属结构，如图2所示。单元由顶部和底部U形金属谐振器以及相同结构的中间金属板组成。这三层之间由两层介电层隔开，介电层由2 mm厚的 F4B 高频板组成（介电常数εr = 2.65；介电损耗tanδ = 0.001）。层间耦合在结构内部产生有效磁流，而U型设计则为电磁响应提供了足够的各向异性自由度。通过精确调整结构参数，实现了单元尺寸的最终设计。如图2(a)所示，单元结构固定为：周期p = 12.8 mm，金属层厚度hm= 0.065 mm，介电层厚度hD = 2 mm，l = 7.5 mm，w1 = 3.5 mm，w2 = 4 mm，w3 = 2 mm，R = 5.8 mm。如图2(b)和2(c)所示，使用CST软件计算了工作频率范围为8 - 12 GHz的x偏振和y偏振下的传输系数和相位曲线，从而验证了所设计超表面的性能。根据模拟结果，在工作频率为 10.67 GHz 时（红色虚线所示），x偏振和y偏振分量的传输系数分别为0.99和0.86，传输相位差约为180°。因此，设计的单元结构在10.67 GHz附近发挥了半波片的作用，满足了几何相位调制条件。
图2. 超表面单元结构示意图：(a) 金属层和介电层的尺寸参数； (b) 模拟单元的透射系数； (c) 模拟单元的传输相位
为了验证所提出的超表面通过几何相位调制操纵涡旋光场的能力，使用 CST 软件进行了模拟。本研究模拟了三个超表面，每个超表面的阵列尺寸为20 × 20。通过改变拓扑电荷，产生了拓扑电荷为 1、2 和 3 的涡旋光束。这些涡旋光束的近场模拟结果如图 3 所示。结果表明，所设计的超表面成功地操纵了入射光束的几何相位，从而产生了相应的涡旋光束。此外，拓扑电荷1、2和3的涡旋光束显示出很高的模式纯度，使超表面适合涡束成像和加密应用。
图3.不同拓扑电荷的超表面近场数值模拟结果。图(a)和(b)显示在10.67GHzRCP照明下，拓扑电荷为l=1涡旋光束的模拟近场强度和相位分布；图(c)显示相应的模拟纯度。仅改变拓扑电荷时，图(d)和图(e)为l=2时模拟近场强度和相分布，图(f)为模拟纯度。图(g)和(h)显示l=3时的近场强度和相位分布，图(i)显示相应的模拟纯度
此外，研究团队对模拟情况进行扩展，以探索图4中拓扑电荷从1到9的相位调制。在之前的研究中，考察了拓扑电荷值为1、2和3的阵列的涡旋生成效果。为了进一步探索结构的可扩展性，扩展了分析范围，而考虑了另外六种情况，将拓扑电荷增加到9。结果表明，一系列高纯度涡束仍然可以有效地产生，从而证实了所设计的超表面的可扩展性。此外，值得注意的是，随着拓扑电荷的增加，超表面中心区域的电场强度和相位都偏离了涡旋束的理论分布。造成这种偏差的原因是相位采样率较低，导致分辨率降低。总之，这些研究结果表明，所提出的阵列配置能够可靠地产生与指定拓扑电荷值相对应的高模式纯度涡旋束。
图4.拓扑电荷对应涡旋光束的相位分布。(a)-(i)分别表示拓扑电荷值从1到9的情况
其次，根据上述阵列的排列，可以观察到要产生定义明确的涡束，需要相对较大的阵列。这就提出了一个问题：较小的涡旋板结构能否产生高质量的涡束。如图5(d)-5(f) 所示，研究团队设计了一个较小的4 × 4阵列结构，并使用CST进行了模拟。当入射光的频率与大型阵列相同时，涡旋光束在近场和远场区域都能保持良好的性能。然而，这种配置可能并不代表可实现的最小阵列尺寸。为了进一步探讨这个问题，将阵列进一步缩小为2 × 2配置，如图5(g)-5(i)所示。按照相同的模拟程序，涡旋光束的振幅和相位在近场区域都显示出令人满意的结果。
图5.不同阵列尺寸超表面的近场结果。图(a)显示20×20的超表面，图(b)和图(c)显示RCP照明下模拟的近场振幅和相位分布。当阵列尺寸减小为4×4时，图(d)显示阵列的结构，图(e)和图(f)显示相应的模拟近场振幅和相位分布。对于进一步缩小为2 × 2的阵列尺寸，图(g)显示配置，图(h)和图(i)显示模拟的近场振幅和相位分布
设计的2 × 2阵列被视为单个子阵列单元，其排列是根据目标图案的轮廓信息确定的。子阵列之间的间距设定为0.4 × p。如图6所示，布置了一个12 × 12的子阵列，在近场显示出令人满意的振幅性能。设计的阵列可以适应不同的目标模式，每种模式都有特定的相应排列。当受到频率为10.67 GHz的RCP光激励时，交叉偏振的透射光会发生几何相位调制，产生J、N 和 U等图案。通过直接比较，与入射波偏振相同的透射光在其他区域不会出现涡旋点，这证实了基于几何相位的设计的有效性。
图6.(a)字母型超表面阵列；(b)超表面阵列振幅分布；(c)超表面阵列相位分布
为了将超表面集成到基于几何相位调制的涡旋光束加密系统中，本研究利用各种数字超表面阵列板来构建系统。为了进一步评估所提出的超表面的实用性能，采用印刷电路板(PCB)工艺技术制作了一个透射超表面。超表面的尺寸为400 mm × 400 mm，由144 个超构四元数涡旋阵列组成。同时，用于发射电波的RCP号角天线位于超表面前方，而用于接收信号的LCP波导天线位于超表面后方12 mm处。两根天线都与PNA网络分析仪(Keysight N5227A)的两个端口相连，扫描步长最小为2 mm。探针通过运动控制器移动，扫描x-y平面，测试区域的大小设定为400 mm × 400 mm，以测试探针平面上的振幅和相位分布。图7(a)显示了制作好的数字阵列板和实验装置。在10.67 GHz频率下，观察到了最终的接收结果，如图7(b)和图7(c)所示。将这些结果与模拟的振幅和相位分布进行比较，发现实验结果与模拟结果高度相近。这些结果表明，在实验条件和现实物理环境下，所提出的设计是可行的。
图7.(a)制作超表面板和实验装置，用于测量设计的超表面的近场结果；(b)10.67 GHz的振幅和相位模拟分布；(c) 10.67 GHz时实验测量的振幅和相位分布
接下来，研究团队通过设计基于像素级涡旋阵列的涡旋光场加密系统，进一步探索安全加密的潜在应用。受经典洛书九宫格加密方法的启发，并结合基于权重的叠加处理，将其整合到所提出的超表面框架中，以实现动态和高度安全的编码。在这种方法中，随机生成的数字序列和目标明文字母序列组合在一起，构建一个联合矩阵。通过嵌入基于权重的九宫格系统，对矩阵的数字和字母部分分别施加干扰。受干扰的数字结果进一步用于调制字母元素，形成一个组合加密层。最后的加密矩阵通过“之”字形扁平化过程变成一维编码序列。
图8.加密原理示意图：(a)光传播和波前调制；(b)加密原理流程及示范；(c)解密过程
在本研究设计的加密方案中，字母和数字之间的映射关系见图9左侧的映射表。此外，设计中使用的九宫格对于不同的密码文本并不是固定不变的，修改九宫格中的任何有效数字都会导致最终结果的变化。例如，在本例中，采用了与前文中不同的九宫格，同时确保其保持对称并遵循经典的数字九宫格结构。然而，当使用这种修改后的九宫格和给定的加密公式对“JNU”进行加密时，得到的密文是“RAF”，而不是之前得到的“UAC”。这表明所提出的加密方案并非完全僵化，而是灵活的，通过调整底层网格参数，可使密文输出发生显著变化。
图9.字母映射规则和变换权重矩阵后的示例演示
该论文提出了一种多层结构，并通过仿真证明了这种配置可作为高效的透射元原子。设计了多种尺寸的阵列，并最终确定四元涡旋阵列是最佳的最小单元，随后将其用作目标图像的像素基础。进行的实验结果与模拟结果非常吻合，证实了该结构在重建目标图像轮廓方面的有效性。超构四元数涡旋阵列可用作数字和字母图像的元素，并与经典的洛书九宫格系统和加权叠加计算技术相结合，对目标字符进行加密。所提出的方法有望应用于电磁波束控制、图像处理和信息加密，为先进的光子和通信技术提供了一条极具吸引力的途径。所设计的元面系统在雷达系统、信息加密和下一代 5G/6G 无线通信网络中也具有巨大的应用潜力。
江南大学理学院研究生冯森为该论文第一作者，上海科技大学王一峰为该论文共同第一作者。江南大学王继成教授和上海科技大学王雄教授为论文共同通信作者。论文合作者为南京理工大学丁大志教授、厦门大学张峰教授、白俄罗斯戈梅利国立大学Sergei Khakhomov教授。该工作得到国家重点研发计划国际合作交流项目、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省先进光学制造技术重点实验室的大力支持。
http://doi.org/10.1364/PRJ.564684
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