用于多维信息安全的可重构多功能太赫兹超表面

《Optics and Lasers in Engineering》：Reconfigurable multifunctional terahertz metasurface for multidimensional information security

　　

• •
  提出了一种热可重构自旋解耦太赫兹超表面。
• •
  通过偏振和VO₂相变调制实现了四个动态信道。
• •
  全息成像和轨道角动量光束生成被集成在单一超表面平台上。
• •
  通过组合传输相和PB相实现了独立的波前操控。
• •
  三维物理密钥加密机制通过ASCII解码实现了"HEDI"（全息加密解密信息）信息的重构。

引言

近年来，随着太赫兹通信、智能感知和信息安全技术的高速发展，电磁波前的高维操控已成为提升信息容量和系统整体性能的重要研究方向[1]、[2]、[3]。超表面作为由亚波长人工结构组成的二维功能材料，能够在超薄平台上实现对电磁波振幅[4]、[5]、相位[6]、[7]、[8]和偏振[9]、[10]的灵活控制。这种卓越的波前调控能力使其在众多新兴应用中展现出巨大潜力，包括涡旋光束生成[11]、[12]、全息成像[13]、[14]、矢量场操控[15]、[16]以及信息编码[17]、[18]、[19]。特别是在太赫兹频段，超表面结合了紧凑的架构、高集成密度和多种电磁操控自由度，使其成为下一代无线通信和信息处理系统的理想平台[20]、[21]。

为进一步增强超表面的信息承载能力，研究人员提出了多种复用策略，包括偏振复用[22]、[23]、频率复用[24]、[25]、空间复用[26]、[27]以及轨道角动量（OAM）复用[28]、[29]、[30]。其中，自旋解耦超表面因其能够实现对左旋圆极化（LCP）和右旋圆极化（RCP）波独立波前操控的能力而备受关注。该能力在多信道全息显示、矢量光束生成和信息加密等方面具有独特优势[31]、[32]。近期研究进一步拓展了可重构超表面的功能。例如，Yang等人[33]将波前编码与相变调制相结合，实现了偏振态切换和多功能波前操控，使全息成像、异常反射和光束聚焦能够在不同工作状态下实现。Luo等人[34]将基于马吕斯定律的振幅调制机制与Pancharatnam–Berry（PB）几何相位控制相结合，实现了灰度全息图像和OAM光束的多信道复用，展示了相变超表面在高维信息编码和动态波前工程方面的巨大潜力。

为克服传统静态超表面的功能限制，可重构材料已被广泛应用于动态超表面设计中，为电磁波前的实时控制提供了新途径[35]、[36]、[37]。在这些材料中，VO₂凭借其可逆的绝缘体-金属相变特性，能够在太赫兹频段实现跨越数个数量级的电导率变化，从而实现对器件电磁响应的动态重构[38]、[39]。基于VO₂的可重构超表面已被广泛研究用于光束偏转、电磁吸收、偏振转换和动态全息等功能[33]、[40]、[41]。然而，在单一超表面平台上同时集成自旋、热和频率自由度，并在全息图像与OAM光束之间实现动态异质复用仍是一个重大挑战。

为解决上述挑战，我们提出了一种基于VO₂相变的动态可重构自旋解耦全息-涡旋超表面。通过传输相与PB几何相的协同设计，联合控制热和自旋自由度，实现了四信道异质波前复用。在低温绝缘态下，LCP和RCP入射分别产生拓扑荷为l = +1的涡旋光束和远场全息图像"G"。当VO₂转变为高温金属态时，LCP和RCP信道分别切换为全息图像"C"和拓扑荷为l = +2的涡旋光束，从而实现了全息图像与轨道角动量光束之间的动态切换。此外，通过集成偏振态、相态和频率信息，建立了三维物理密钥加密机制，实现了动态信息编码、传输和解密。该设计不仅实现了全息图像与OAM光束之间的动态异质波前复用，还显著提升了太赫兹信息系统的信息容量和安全性。

章节摘要

动态超表面的设计与工作原理

图1展示了所提出的热可调自旋解耦全息-涡旋超表面的工作原理。该超表面由具有不同结构参数和面内旋转角度的超原子组成，利用圆极化自旋效应和VO₂热致相变的联合作用，实现了动态波前重构和多信道信息复用。在低温绝缘态下，LCP入射产生

结果与讨论

为验证所提出的热可重构自旋解耦超表面的波前操控能力，首先采用Gerchberg–Saxton（GS）算法迭代求解目标图像，从而获得对应的目标相位分布。结合前文建立的传输相与PB几何相协同调制机制，目标相位可进一步映射到结构参数和旋转角度上

理论可行性评估

为验证所提出的热可重构太赫兹全息涡旋超表面的实验可行性，进一步给出了相应的制备工艺流程，如图11所示[39]、[45]。首先，在柔性PI基板的表面形成介质支撑层。随后，通过磁控溅射沉积VO₂薄膜作为动态功能层。由于VO₂能够在绝缘态和金属态之间发生可逆相变

结论

本文提出了一种基于VO₂相变材料的热可重构自旋解耦太赫兹全息涡旋超表面。通过联合采用传输相和PB几何相调制，实现了LCP和RCP信道的独立波前编码。此外，利用VO₂绝缘态与金属态之间的可逆相变，实现了超表面功能的动态重构。在不同

CRediT作者贡献声明

高创：资源、形式分析、概念化。张立坚：撰写—初稿、软件、方法学、概念化。赵泽鹏：形式分析、数据管理。胡雪娇：方法学、调查研究。连继红：方法学、调查研究。郭华：软件、方法学。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报道工作的已知竞争经济利益或个人关系。

基金项目

本工作部分得到了陕西省科学技术厅自然科学基金项目2025JC-YBMS-254和陕西省教育厅自然科学基础研究计划项目24JP071的支持。

高创|张立坚|赵泽鹏|胡雪娇|连继红|郭华