2019年2月18日的OE上，宁波大学的SHIWEI TANG,XIKE LI,WEIKANG PAN, JUN ZHOU,TAO JIANG等人发表了将超表面应用于涡旋光的产生，提出一种宽带透射式超表面来产生涡旋光，有着很高的工作效率，为在其他频域的高效率透射涡旋光产生器的设计打开了一扇大门。

—— ||| 背景介绍 ||| ——

如何有效提高通信容量是现代无线通信系统研究的热点，而目前可用的设备都有着高配置低效率的特点。如今，由于涡旋光束的螺旋波前携带轨道角动量，所以轨道角动量（OAM）涡旋光束引起了人们的关注。OAM涡旋光束通过其严格正交的信道扩展通信容量，具有不同的模式，携带附加信息。受益于独特的电磁特性，涡旋光束已经在光学，基本物理特性和射频通信中引入了许多应用，因此，如何开发产生涡旋光束的有效方法是关键问题之一。

—— ||| 创新与结论 ||| ——

如今几种产生OAM光束的方法分别为螺旋板，天线阵列，亚波长光栅和全息图。它们有着复杂的配置，低效率以及窄带宽的问题。这些问题极大的限制了其在现代无线通信系统中的进一步发展和应用。目前大多数具有宽带宽高效率的涡旋光束发生器在系统的反射侧工作，在透射模式下获得宽相位范围以及高传输并不容易，这降低了控制EM波的自由度。论文中提出了一种用透射超表面设计高效率涡旋光发生器的新策略，可以实现在8GHz至13GHz带宽范围内的高效涡旋光束转换。

—— ||| 图文一览||| ——

图一 构件块的拓扑结构以及模拟的透射光谱

a）每个超表面原子是一个基本的多层结构，由3个金属层组成，并由两个F4B电解质基板隔开

b）中间层结构

c）FDTD模拟传输系数的光谱

d）FDTD模拟相位光谱

小结：两个相互正交的金属光栅和具有切割对称开口环形成法布里-珀罗腔，反射和透射的EM波被前后光栅选择，重复的这个过程可以在宽范围内极大地增强交叉极化传输同时减少共极化反射，最后大大提高透射率和偏振转换效率。

图二 交叉极化传输系数和相位对于不同的ɑ和β值。

a）幅度

b）正常y偏振入射的不同ɑ和β值的交叉极化相位

小结：对于大多数的ɑ和β值交叉极化传输系数的幅度在8-13GHz内高于0.8，这对于选择高透射系数的单元结构是很有利的，而不同参数的相位谱几乎相互平行，这保证了不同参数的单元结构在不同的频率下具有相似的相位响应斜率

图三 透射式涡旋光发生器的设计。

a）聚焦超表面的相位分布

b）螺旋相位板的相位分布

c）涡旋光发生器的相位分布

d）所设计的元设备的中间金属层

小结：由于超表面应该呈现螺旋波前，螺旋波前由聚焦相位和螺旋相位结合，根据不同阶数计算每个单元结构的相位分布。

图四 正常y偏振入射下，在8到13GHz下以每1GHz为步长计算出的Re（E_x）和相位分布。

小结：由于矢量奇异性，涡旋光束在中心处呈现零点振幅，这揭示了所设计结构的涡旋光束转换能力。

图五 正常y偏振入射下，以1GHz为步长在8到13GHz范围内，l=1的超表面的数值计算的远场模式图。

小结：从图中可以看出交叉极化的透射涡旋光束占据主导且反射光束非常低，不同频率的所有三维远场辐射图都显示出典型的环形强度，中心具有基点，与理想涡旋光束远场分布相同。

图六 正常y偏振入射，l=1条件下宽带超表面的模拟的2D远场辐射模式特性

a）8GHz

b）9GHz

c）10GHz

d）11GHz

e）12GHz

f）13GHz

小结：不同频率的二维辐射方向图也同样表明了涡旋光束发生器的性能。

—— ||| 点评||| ——

本文提出了一种宽带透射式的超表面来高效率的产生涡旋光束，通过控制单元结构的开角和旋转角，来控制它的交叉极化传输相位。该涡旋光产生器的远场和近场特征表明它可以在8-13GHz范围内实现高效的（83%）涡旋光束转换。这钟涡旋光产生器的设计为产生宽带透射涡旋光提供了一条新的途径，这在现代通信系统中是至关重要的。

High-efficiency broadband vortex beam generator based on transmissive metasurface

Shiwei Tang, Xike Li, Weikang Pan, Jun Zhou, Tao Jiang, and Fei Ding

· https://doi.org/10.1364/OE.27.004281

作者简介: 肖顺元，华中科技大学，研一，目前研究方向：超表面透镜