极化态是电磁波的基本物理属性之一，也是无线信息传递的常用调制维度。传统波片、偏振片等器件对电磁波极化态的调控均依赖于其自身的双折射特性（正交本征模态），仅局限于对线、圆极化电磁波实现转换作用。随着电子信息技术的快速发展，定制化的椭圆极化转换与传输在偏振成像、信息加密与存储、智能虚拟现实等应用中将发挥重要作用。然而，传统椭圆极化调控大多通过多波片级联的光路系统实现，设计复杂、体积庞大。虽然人工构造的超构表面为椭圆极化波的调节提供了可行的途径，但受限于物理结构，其对任意椭圆态的极化转换效率始终无法突破并且鲜有报道，因而其在实际应用中仍然面临巨大挑战。
(1) 理论创新
在此背景下，团队研究人员以实现无耗的任意极化转换为研究目标，通过建立非正交本征模态与极化转换效率间的解析模型，从理论上证明了打破本征模态的正交性是实现任意极化态无耗转换的必要前提。图1给出了本征模态的原理示意图及其对任意极化转换作用的解析计算结果。随着效率门限从0增长到1，非正交本征模态可将某一特定的椭圆极化态转换为任意出射极化态，其能够实现的椭圆极化转换可覆盖整个极化空间（R→1）。在此基础上，当转换效率门限设置为0.9时，非正交本征模态可将极化空间中的任意入射态转换至任意出射态，这意味着非正交本征模态可近乎完美地匹配所有定制化的入射-出射椭圆极化转换。
图1 非正交本征模态工作示意图：A正交、非正交、简并本征极化表征及其在庞加莱球上的相对位置示意图。B正交与非正交本征模态对某一特定入射椭圆极化的转换能力，即在特定的效率门限下，可实现的出射极化态在整个极化空间中的覆盖范围（利用覆盖率R来表征）。C效率门限设置为0.9时，正交和非正交本征模态对任意入射极化态的转换能力。
(2) 方法创新
在该理论基础上，团队研究人员提出了非正交超构表面概念，构建了支持非正交本征模态的多层扭转型亚波长单元结构，并验证了具有不同扭转构型的单元对非正交本征极化态的调控作用。如图2所示，当单元中不同贴片层独立旋转时，对应本征极化态在庞加莱球上关于原点（非）对称的运动轨迹可清晰地验证本征模态的（非）正交特性。此外，在宽带范围5 GHz – 15GHz内，单元结构对应的本征值幅相响应均可重构，为任意极化态的高效转换提供必要的调控自由度。
图2 非正交单元结构的本征模态分析：A叠层扭转型单元结构示意图，θi (i = 1,2,3) 表示不同矩形贴片的旋转角度。B具有不同扭转构型的单元在带宽5 GHz – 15 GHz内的本征极化态在庞加莱球上的运动轨迹。C具有不同扭转构型的单元在对应带宽范围内本征值的幅相响应。
(3) 实验验证
为了进一步验证非正交超构表面对任意极化态的高效调控作用，研究团队结合实物测试，验证了非正交超构表面能够在宽带（8 GHz - 12 GHz）、大角度斜入射（-45° - +45°）条件下实现近零损耗（> 90%）的任意极化转换与传输，定制化的入射-出射极化态转换精度也可控制在较小范围以内（RMSE < 0.1）。在此基础上，非正交超构表面对任意极化态的高效调控作用还被拓展应用于极化传输通道的复用技术当中，可在选通任意数量的极化分量基础上加载独立的全息图像信息（“1”、“2”、“3”、“4”），实现了传输能量的按需分配及波前复用，相关实验测试结果如图3所示。
图3 非正交超构表面的实验验证：A 宽带范围内的任意极化转换效率实测结果。B 大角度入射条件下的任意极化转换效率实测结果。C 圆极化四通道的任意选通及全息信息复用实测结果。
该研究成果创新性地阐明并验证了非正交本征模态在极化转换及波前调节中的贡献，通过建立本征模态与传输效率之间的解析模型，从理论层面验证了突破本征极化正交性对椭圆极化无耗转换的决定性作用。为了搭建实验验证平台，研究团队提出了非正交超构表面概念，通过构建叠层扭转型亚波长单元实现非正交的本征极化态，并结合实验验证了任意椭圆极化态的定制化转换与传输，其转换效率逼近效率极限值。在此基础上，研究团队进一步将非正交本征模态拓展至对极化通道的选通与复用当中，为高效率极化信道扩容提供理论途径。该设计思路可拓展至其他频段通过改变结构或材料加以复现，有望应用于未来无线通信极化复用及信息加密技术当中。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-50560-1
