由元表面产生的时变轨道角动量

时变OAM光束的产生。(a) 时变OAM光束，拓扑电荷l(t)在时间上从0、1、2、3、4(-4)、-3、-2和-1周期性变化，包络相位曲线[为简洁起见省略exp(jωt)]显示在时间上不同层。青色和红色的曲面在几何上连接了不同层上的0和π相位，显示了在顺时针方向完成一个周期的扭曲，定义为绕组数w=-1。光束是由一个用FPGA控制的空间-时间编码数字元面产生的。(b) 元表面的数字编码方案，3位编码数字 "1 "到 "8 "代表每45度中的0度到315度的反射相位曲线（除了来自完美金属的反射），在每个时间实例。黑星标志着编码数字为 "1 "的零相位的扭曲轨迹。资料来源：高级光子学（2023）。doi: 10.1117/1.ap.5.3.036001

电磁波的轨道角动量（OAM）--一种 "结构光"--与螺旋或扭曲的波前有关。

螺旋模式的特点是有一个拓扑电荷。具有不同拓扑电荷的OAM光束是相互正交的，这使得它们可以携带信息并被复用。OAM复用可以增加信道容量和频谱效率--在基于光纤和自由空间通信中非常有用。OAM光束还具有对光诱捕、格子等有用的品质。

由于全球范围内持续的研究努力，释放OAM的潜力已经取得了进展。正如《先进光子学》杂志所报道的，来自香港科技大学（HKUST）和香港城市大学（CityU）的研究人员最近利用一个时空编码的数字元表面开发了时变的OAM光束。他们使用现场可编程门阵列（FPGA）来控制微波系统中元表面的原子的反射相位。

通过利用元表面的灵活可编程性，他们构建了不同模式的时变OAM光束，在每个时间层具有随时间变化的相位曲线。这不仅允许时变的拓扑电荷，还允许OAM光束的包络波面结构在相位的非线性时间依赖方面的高阶扭曲，这作为一个额外的自由度，允许更大的应用能力。

在他们的实验演示中，该团队开发了一种双探针映射方法来动态映射时变OAM场，包括在不同时间段的振幅和相位模式。此外，他们还对测量的场模式进行了针对OAM模式分解的频谱分析，证明了生成的时变OAM的高模式纯度以及包络波面结构中设计的高阶扭曲。

他们的创新方法，结合了元表面的时空数字编码和双探针场映射技术，形成了一个生成和观测时变OAM--以及其他时空激励的多功能平台。

所提出的时变OAM光束在动态粒子捕集、时分复用、信息加密等方面具有应用潜力。

参考资料

Jingxin Zhang et al, Generation of time-varying orbital angular momentum beams with space-time-coding digital metasurface, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.3.036001