哈工大电信学院张狂教授团队提出近零损耗的电磁波任意极化态转换新范式

哈工大全媒体（梁英爽 袁乐眙 文/图）近日，电信学院张狂教授团队提出近零损耗的电磁波任意极化态转换概念，为实现高效率、紧凑型的任意极化转换器件及系统提供全新范式。相关成果以《非正交超构表面实现逼近于效率极限的任意极化转换》（Reaching the efficiency limit of arbitrary polarization transformation with nonorthogonal metasurfaces）为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。该研究成果创新性地阐明并验证了非正交本征模态在极化转换及波前调节中的作用，为高效率极化信道扩容提供理论途径，有望应用于未来无线通信极化复用及信息加密技术当中。

传统波片、偏振片等器件对电磁波极化态的调控均依赖于其自身的双折射特性（正交本征模态），仅局限于对线、圆极化电磁波实现转换作用。随着电子信息技术的快速发展，定制化的椭圆极化转换在偏振成像、信息加密与存储、智能虚拟现实等应用中将发挥重要作用。然而，传统椭圆极化转换大多通过多波片级联的光路系统实现，设计复杂、体积庞大。电磁超构表面为椭圆极化波的调节提供了可行途径，但受限于物理结构，其对任意椭圆态的极化转换效率始终无法突破（现报道相关成果小于30%），在实际应用中仍面临挑战。

针对这一问题，团队提出非正交超构表面的物理概念，通过建立非正交本征模态与极化转换效率间的解析模型，从理论上证明了打破本征模态的正交性是实现任意极化态无耗转换的必要前提。实验结果表明，非正交超构表面能够在宽带8GHz-12GHz、45°大角度斜入射条件下实现近零损耗（大于90%）的任意极化转换与传输，并且为极化通道的灵活选通与抑制提供全新的自由度。

哈工大为论文第一通讯单位。电信学院张狂教授、法国巴黎第十大学纳瓦兹（Shah Nawaz Burokur）教授、科罗拉多矿业大学帕特莱斯（Patrice Genevet）教授为论文共同通讯作者。电信学院袁乐眙老师为论文第一作者，吴群教授参与相关研究工作。

该研究获国家自然科学基金联合基金项目、中国科协青年人才托举工程、哈工大青年科学家工作室等项目资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50560-1

图A 非正交本征模态的工作原理示意图

图B 正交及非正交超构表面实现有耗及无耗任意极化转换过程

图C 非正交超构表面实物图

图D 任意极化转换效率的部分实测结果