摘要：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4

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。

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。

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。

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。

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。

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来源：凯视迈精密测量