通过自旋解耦的超表面实现可编程手性辐射，该超表面集成了复合相位结构

《Advanced Science》：Programmable Chiral Radiation via Spin-Decoupled Metasurface with Integrated Compound Phases

高纯度可编程旋向解耦超表面设计及动态辐射方向控制。通过整合几何相位与传播相位调制，结合PIN二极管实现1位动态相位编码，有效抑制反向圆偏振分量，使±45°扫描范围内3dB轴比带宽达10.4%。采用复合相位解耦策略和棋盘式相位调制，实现宽频带高纯度圆偏振辐射，并验证了在10GHz中心频率下32%的最大孔径效率。该结构为无线通信、遥感等领域的极化编码波束调控提供了紧凑可重构解决方案。

　　近年来，随着光学材料和超材料的发展，人们对光的特性调控能力不断提升，尤其是在其波长和动量特性方面。然而，对于高纯度手性辐射的动态可重构性仍是一个重要的挑战。这主要是因为传统结构在空间上是静态的，且存在固有的自旋耦合效应，这会降低极化纯度。为此，研究者们提出了一种可编程的手性解耦超表面，该结构能够在亚波长尺度上集成传播相位和几何相位，从而实现高纯度手性光束的可重构发射方向。通过使用具有复合相位解耦策略的手性辐射单元，这种超表面能够实现所需自旋方向的定向控制，同时通过圆二色性引起的振幅区分和相位调制引发的破坏性干涉来抑制不需要的自旋分量，从而显著提升极化纯度。此外，将PIN二极管集成到辐射单元中，使得超表面能够实现主动相位调制，从而在实时控制手性辐射方向方面具有高可重构性。为了验证这一概念，设计并制作了一个1位可编程手性超表面原型，其整体厚度为0.1λ₀。实验测量结果表明，该超表面能够在±45°的宽角度范围内实现手性辐射，同时保持高纯度，其3 dB轴比（AR）带宽达到10.4%。这种新的方法为设计低轮廓和可重构的手性辐射器提供了一个新的框架，具有在无线通信、远程传感和电子对抗系统中的广泛应用前景。

手性，是指物体不能与其镜像重合的几何特性，是光学中自旋依赖相互作用的基础。这种不对称性使得手性材料能够对圆偏振光产生偏倚，即所谓的手性辐射或手性发射。手性辐射提供了一种强有力的手段，用于生成极化编码的光信号，其应用范围广泛，涵盖量子光学、传感和信息处理等多个领域。为实现手性辐射，研究者们已经尝试了多种策略，从天然手性材料到人工设计的纳米结构。虽然天然手性介质，如光学活性晶体，可以发射圆偏振光，但其光学活性弱，且不对称性低，限制了辐射的纯度和效率。相比之下，人工设计的结构，如等离激元和超材料或超表面，通过增强手性，提供了对光极化更强的控制能力。特别是，支持准连续态（quasi-BIC）的共振超表面，为高纯度手性发射提供了一个灵活的平台。通过扰动平面或垂直方向的对称性，手性超表面可以实现对准连续态模式的左或右圆偏振选择性耦合，从而产生具有近似单位圆二色性的尖锐Fano共振。然而，尽管已有这些进展，手性辐射仍然面临两个关键挑战：提升极化纯度和实现发射方向的动态控制。传统方法依赖于手性结构，通过振幅控制来抑制不需要的圆偏振分量，如自旋选择吸收或自旋选择耦合通道，而相位自由度则被较少利用。复合相位策略，通过结合传播相位和几何相位，将正交自旋状态的调制路径分离，可以解耦左右手自旋，并在如自旋复用全息术、自旋-轨道角动量转换和空间复用通信等应用中取得进展。然而，这些方法主要关注独立自旋控制，而非抑制不需要的自旋分量。

本研究提出了一种可编程的手性解耦辐射型超表面，它在亚波长尺度上整合了传播相位和几何相位，从而实现高纯度手性光束的可重构生成。通过利用在自旋选择单元中固有支持的左圆偏振（LHCP）并结合复合相位解耦策略，该超表面实现了所需自旋方向的定向控制，同时通过破坏性干涉抑制不需要的右圆偏振（RHCP）分量，从而显著提高手性辐射的纯度。将PIN二极管集成到辐射单元中，使得超表面能够实现1位动态相位编码，从而在低硬件复杂度下实现宽角度波束扫描。为了减少由1位相位量化引起的栅瓣，针对LHCP分量引入了定制化的空间照明预相位，从而有效重塑辐射图案。同时，针对RHCP分量应用了棋盘式预相位，将其远场图案扩散，从而减少其贡献，提高手性辐射的纯度和带宽。设计并实验验证了一个包含8×8单元的超表面原型，其在±45°的宽角度范围内实现了手性辐射，最大孔径效率达到32%，且3 dB轴比带宽为10.4%。该方法为低轮廓和可重构的手性辐射器设计提供了一个统一的策略，具有广泛的应用前景。

为了验证该手性解耦超表面的设计理念，设计并制作了一个8×8单元的超表面原型，其孔径大小为104×104 mm2，中心频率设定在10 GHz。由于1位编码超表面的粗略相位量化，栅瓣问题成为影响远场波束质量和辐射效率的关键因素。为了缓解这一问题，采用了一种基于虚拟聚焦方法的相位补偿技术。该方法通过引入空间变化的初始相位分布，模拟来自虚拟焦点的球面波前，从而改善波束质量并抑制侧瓣。LHCP的初始相位分布通过公式（8）计算得出，而RHCP的初始相位分布则通过棋盘式分布进行调节，从而在远场中实现其能量的扩散，减少其在主辐射方向上的贡献。因此，LHCP波前保持相干和聚焦，而RHCP则被扩散到宽角度范围，从而提升主方向的轴比（AR）。通过这一策略，3 dB轴比带宽从同尺寸均匀阵列的9.85–10.1 GHz显著扩展到PSDM的9.05–11.05 GHz，达到10.4%。此外，该超表面的结构参数经过优化，包括各层厚度和间距，使得其整体厚度为0.1λ₀，在10 GHz下实现高效辐射。

为了进一步验证该超表面的性能，制造了一个原型并进行实验测量。该原型在无源测试环境中进行了测试，其结果验证了设计的可行性。为实现对每个单元的独立控制，设计了一个64通道的直流偏置电路，使得每个像素单元能够独立操控其传输状态。因此，整个超表面的尺寸增加了3 mm，使其总面积达到110×110 mm2，而有效辐射孔径仍保持在104×104 mm2。在实验中，使用了128个PIN二极管，并通过128条独立的偏置线将其分为四个独立控制组，以实现精确的相位控制。为了确保信号传输的稳定性，采用四条柔性扁平电缆（FFC）将每个组连接到波束控制逻辑板。在超表面背面集成了SMA连接器，用于激发微波馈电网络。实验结果显示，该超表面在10.1 GHz时实现了峰值增益17.1 dBic，与模拟值18.4 dBic相比略有差异，主要归因于制造公差和测量环境的影响。此外，测量的峰值孔径效率为32%，在10.05 GHz时达到，而模拟值为45%。在9.35–10.45 GHz频率范围内，孔径效率保持在20%以上。实验中测得的3 dB轴比带宽为10.4%，与模拟值相比存在一定的偏差，但整体表现良好。为了更全面地评估轴比性能，还比较了在1、2和4 dB水平下的带宽，显示出良好的一致性。

此外，为了进一步评估PSDM的波束转向能力，测量了在xoz和yoz平面中不同扫描角度下的反射系数|S₁₁|。实验结果显示，所有配置下的|S₁₁|在8.95–11.5 GHz范围内均小于–10 dB，与全波仿真结果一致。在10 GHz时，xoz和yoz平面的归一化辐射图案与模拟结果吻合良好，其最大扫描增益损失分别为2.7 dB和2.2 dB。在不同扫描角度下的代码分布和3D远场辐射图案也进行了仿真和实验验证，进一步确认了PSDM的性能。实验中测得的轴比在9.6–10.65 GHz范围内均低于3 dB，表明该设计在极化稳定性方面表现优异。

在对比分析中，PSDM在多个关键性能指标上优于现有的手性辐射超表面。其频率范围覆盖10 GHz，单元数量为8×8，比其他设计更紧凑。在峰值增益方面，PSDM达到17.1 dBi，而其他设计的增益范围较小。在孔径效率方面，PSDM达到32%，在所有比较设计中最高。其轴比带宽为10.4%，优于其他设计的5%或22.3%。此外，PSDM的结构厚度仅为0.1λ₀，比其他设计的5.8λ₀、74λ₀、3.8λ₀和6.2λ₀明显更薄。其馈电系统采用主动控制，相比其他设计的被动馈电方式，具有更高的灵活性和控制精度。PSDM的扫描范围达到±45°，在2D方向上优于其他设计的±15°、±30°或0°。

本研究提出的手性解耦超表面，不仅实现了高纯度手性辐射的动态控制，还展示了其在实际应用中的巨大潜力。该方法为未来的手性超表面设计提供了一个统一的策略，有助于推动下一代无线通信、先进传感和多功能集成平台的发展。同时，该研究也为实现更广泛的手性波束控制提供了新的思路，例如通过双几何相位设计，如级联两层手性单元，每个单元提供独立的几何相位自由度，从而实现对左右手分量的独立和任意控制。这些策略将在未来的工作中进一步探索，以提升手性超表面的性能和应用范围。