基于傅里叶变换的轨道角动量超表面设计与性能评估，用于太赫兹涡旋波的产生

《Frontiers in Physics》：Design and performance evaluation of orbital angular momentum metasurface for THz vortex waves generation based on fourier transform

宽频带太赫兹涡旋波生成Metasurface设计及性能验证，

　　
本文聚焦于太赫兹频段涡旋波（OAM）生成技术的突破性进展，提出了一种基于几何相位调制与多频段协同设计的新型元表面结构。该研究系统性地解决了传统涡旋波生成技术在太赫兹频段存在的带宽窄、转换效率低、模式纯度不足等关键问题，为太赫兹通信与成像领域的物理层技术提供了创新解决方案。

1. **技术背景与挑战分析**
太赫兹波（0.3-10 THz）兼具毫米波穿透性与光波调控特性，在高速通信、生物成像等领域具有重大应用潜力。然而，传统涡旋波生成方法存在显著局限性：环形天线阵列需要复杂馈电网络，导致系统成本高昂；螺旋相位板与衍射光栅体积庞大且难以集成；现有元表面结构普遍存在单频工作、带宽受限（通常不足30%）、转换效率低于90%等问题。

研究团队通过引入分形几何与拓扑相变理论，开发出具有宽频带、高效率的元表面结构。该设计巧妙结合了Pancharatnam-Berry相位（P-B相位）的频域独立性特性，通过单元结构的旋转相位补偿机制，实现了从0.82 THz到2.09 THz（相对带宽87.3%）的连续频段覆盖。相较于文献中报道的1.5 THz中心频段设计，本方案将工作带宽扩展了3倍以上。

2. **核心创新与技术路径**
2.1 单元结构设计
提出一种三明治式多层结构（图2b），上层为金属谐振结构，中间层为聚四氟乙烯基板（εr=2.65），底层为接地金属层。单元尺寸经过遗传算法优化，最终确定为a=28μm、b=80μm的矩形结构，同时设置a1=5μm、b1=20μm的次级谐振单元。这种嵌套式结构通过多尺度共振效应，有效抑制了高阶模式干扰。

2.2 相位调控机制
基于P-B相位的旋转载荷特性（图1b），通过调节单元的旋转角度φ（0°-360°连续可调），精确控制反射波的相位分布。理论推导表明，当单元间距p=100μm时，相位调制精度可达±0.5°，满足太赫兹波段相位容限要求（通常±1°）。

2.3 多频段协同优化
采用相位叠加原理，将聚焦相位分布（图4b）与涡旋相位分布（图4a）进行时空耦合。通过优化单元参数，使反射系数的相位曲线在宽频带内保持线性关系（图5d），相位偏差控制在±2°以内。实验表明，该设计在1.5 THz中心频点时，转换效率达94.7%，较传统结构提升约15%。

3. **性能验证与对比分析**
3.1 基本性能指标
- 工作带宽：0.82-2.09 THz（中心频1.5 THz）
- 主模式能量占比：优化后达88%以上（传统结构约60%）
- 转换效率：94.7%-97.2%（频率无关）
- 辐射增益：>10 dB（全频段）
- 模式纯度：主瓣宽度±2λ0（λ0为中心波长）

3.2 关键性能突破
（1）带宽扩展：通过引入非均匀单元阵列（图6），实现87.3%的相对带宽，较文献中最高值（62%）提升41.5%
（2）效率优化：采用多层金属结构（图2c），将反射系数幅度提升至0.97以上，实现94.7%的高效转换
（3）抗误差能力：在±2μm尺寸误差和±2°旋转角度误差下，主模式能量占比仍保持85%以上（图13b）

4. **应用场景与产业化价值**
该技术方案具有三重应用优势：
（1）通信领域：可实现OAM多址接入（每THz带宽可承载>100个正交模式），支持Tbps级无线传输。实测表明，在1.5 THz时，16×16单元阵列可实现-20dB的辐射效率（图8c）。
（2）成像技术：涡旋波的空间相干性使其在超分辨成像中表现出独特优势。仿真显示，采用圆形阵列（图10b）时，边缘衍射抑制能力提升3dB。
（3）集成化潜力：单层结构设计（厚度30μm）可实现与5G毫米波天线共址部署。实测表明，在1.6 THz时，器件体积仅传统环形天线阵列的1/8。

5. **技术经济性分析**
对比表1中12种主流THz-OAM生成方案，本设计在带宽、效率、成本三个维度形成显著优势：
- 带宽指标优于87%的现有方案
- 转换效率达到94.7%，超过85%的行业基准
- 器件成本降低至传统方案的1/3（主要因单层结构简化加工流程）

产业化实施建议：
（1）采用纳米压印技术实现亚微米级加工精度（公差±0.5μm）
（2）开发自适应旋转校准系统（精度±0.2°）
（3）建立THz频谱特性数据库（覆盖0.8-2.5 THz）
（4）开发模块化集成平台（支持16×16至256×256阵列扩展）

6. **未来研究方向**
（1）材料创新：探索石墨烯量子点掺杂（如文献24采用石墨烯结构）与聚四氟乙烯基板的复合效应
（2）智能调控：集成微机电系统（MEMS）实现动态相位调节（如文献27的频率切换技术）
（3）多模式复用：开发正负旋涡波协同传输技术（当前研究显示可提升信道容量2倍）
（4）误差补偿算法：建立基于深度学习的相位误差补偿模型（文献38提出机器学习补偿方法）

本研究为太赫兹通信系统的物理层设计提供了可扩展的解决方案，其核心价值在于首次实现宽频带涡旋波的高效稳定生成。实测数据表明，在2.0 THz时仍保持92%的转换效率（图14b），满足5G/6G系统的TDD双工频段需求（3.5-3.8 THz）。该技术的工程化应用将显著降低太赫兹通信系统的硬件成本，推动相关产业链的快速落地。