北京理工在微波全息成像与信息加密领域取得新进展

近日，北京理工大学集成电路与电子学院司黎明教授团队联合清华大学杨帆教授、上海交通大学朱卫仁长聘副教授，在微波三维全息成像与多通道信息加密领域取得新进展。相关研究成果以“Complex-Amplitude Janus Metasurface for Asymmetric 3-D Holography”（复振幅雅努斯超表面非对称三维全息成像）和“Multi-Channel OAM Encrypted Holography Based on Complex-Amplitude Janus Metasurface”（复振幅雅努斯超表面多通道轨道角动量加密全息）为题发表在国际天线与传播领域顶级期刊《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》。

图1.电磁波可控参数

电磁波是人类进行无线通信与空间感知的最重要载体。长期以来，无线系统主要围绕频率、时间、幅度、相位、极化以及空间多天线等自由度开展信息调制、传输与感知，而电磁波角动量所蕴含的空间模式自由度尚未得到充分挖掘。电磁超表面是由人工设计的亚波长结构单元构成的二维结构与材料，能够灵活调控电磁波的频率、时间、幅度、相位、极化和轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）等电磁特性参数。然而，现有全息超表面主要依赖相位调控，在信息容量和多维信息复用能力方面仍存在一定局限。OAM波束具有螺旋状的波前相位结构，不同OAM模态可作为正交模式用于复用，在拓展无线通信容量和提升频谱利用率方面极具发展潜力。但实际OAM系统仍面临模态串扰、传播距离与发散、生成/检测复杂度以及多维自由度协同控制等问题。针对上述问题，司黎明教授团队提出将复振幅雅努斯超表面的方向非对称特性与复振幅调控能力相结合，进一步引入OAM拓扑电荷这一新的信息维度，实现传播方向、传播距离和OAM模式等多个电磁自由度的协同复用，构建了从非对称三维全息成像到多通道OAM加密全息的系列技术方案，为多维电磁信息编码、计算、传输、存储、通信、感知、保密与安全提供了新思路。

图2.复振幅雅努斯超表面非对称三维全息成像

首先，团队提出了一种基于复振幅雅努斯超表面的非对称三维全息成像方法。针对传统超表面正反向电磁响应相对对称、传播方向信息维度利用不足等问题，该方法利用雅努斯超表面的方向选择性，实现同一超表面对正、反两个传播方向加载不同的全息信息。通过对超表面单元复振幅调控，利用不同传播方向下的幅度和相位响应与空间传播特性映射关系，实现了多方向、多深度全息信息的独立调控与重构。该方法突破了传统超表面主要利用二维平面内幅度和相位进行信息编码的思路，将传播方向与传播距离引入信息编码维度，显著提升了电磁信息调控的自由度。该研究为突破传统超表面单一平面、单一传播方向的信息承载方式提供了新的技术路径，也为非对称三维全息成像、多维信息复用以及高容量光学信息处理提供了新的实现手段。

图3.复振幅雅努斯超表面多通道轨道角动量加密全息

在上述基础上，团队将OAM引入全息信息编码与加密过程，利用不同OAM拓扑电荷模式构建相互区分的信息通道，从而提升超表面全息的信息容量和物理层信息安全能力。通过将不同OAM模式作为独立的信息编码维度，使不同拓扑电荷在全息信息的生成、传输与重构过程中分别承担不同的信息载荷，并可将其理解为隐藏于电磁波中的“物理密钥”。只有当入射条件、传播方向以及OAM拓扑电荷等关键参数同时满足预设条件时，相应的目标全息信息才能够被正确识别与重构，从而实现信息在多个物理维度上的分层隐藏与安全传输。该方法将传播方向、传播距离与OAM拓扑电荷等多个自由度统一纳入电磁信息编码体系，实现了空间、传播和模式等多维信息资源的协同利用，拓展了传统二维幅相编码的容量边界。研究成果有望在高安全全息加密、高密度信息存储、空间复用无线通信、新型电磁显示以及信息物理融合系统等领域发挥重要作用。

论文链接：1. https://ieeexplore.ieee.org/document/11278547

2. https://ieeexplore.ieee.org/document/11720213