技术突破：《Light Sci. Appl.》SH-GSL理论，为超表面提供全通道谐波调控能力

前言摘要

近日，北京大学电子学院杜朝海教授团队与浙江大学陈红胜教授团队合作，在光学期刊《Light: Science & Applications》上发表了一项突破性研究(https://doi.org/10.1038/s41377-025-02009-3)。他们提出了“空间谐波扩展广义斯涅尔定律”（Spatial Harmonicexpanded Generalized Snell’s Law, SH-GSL），首次系统揭示了梯度超表面中高阶空间谐波的动力学机制。 

这项研究打破了传统广义斯涅尔定律（GSL）的理论局限，为多通道、高效率的电磁波前调控提供了全新的理论框架和实践路径。

核心内容

传统的广义斯涅尔定律（GSL）仅能描述基波谐波的反射与折射行为，将高阶谐波视为“寄生干扰”，限制了超表面在多功能集成中的应用。研究团队通过引入Floquet周期性理论，将相位梯度与周期结构统一建模，提出了SH-GSL框架。该框架不仅能够精确预测各阶谐波的辐射角度，还能通过“动量补偿机制”主动控制谐波的辐射与局域行为。 

基于SH-GSL，团队设计并实验验证了三类功能器件：  

1.异常谐波反射：实现角度偏差小于5°的高精度谐波控制；  

2.多波束分束：实现双波束和四波束分束，突破传统单通道限制；  

3.多通道后向反射器：首次实现三通道完美后向反射，效率高达99%。

研究意义

这项研究的意义远不止于理论创新，更在于它为解决实际工程问题提供了全新思路。 

为6G通信提供了新方案。通过“谐波分复用”技术，可在单一超表面平台上实现多通道、高并行的信息处理与传输，极大提升频谱利用率和设备集成度。 

推动超表面在传感、成像等领域的应用。多通道操控能力使得超表面能够同时处理多种信息，实现更复杂的传感和成像功能。 

打破“试错式”设计范式。SH-GSL框架提供了一种物理学驱动的设计方法，使研究人员能够根据目标功能反向推导出最优的超表面结构，大幅提升设计效率和性能。

  

这项研究犹如打开了一扇新的大门，门后是由空间谐波构建的多维操控世界。超表面不再是只能演奏“单声道”的简单乐器，而是能够演绎“多声部交响”的精密仪器。 

当更多的研究者沿着这条道路探索，我们或许很快就能看到：在一个薄如蝉翼的超表面上，同时实现通信、传感、成像等多种功能——那将是真正意义上的“智能表面”。

图1:空间谐波扩展广义斯涅尔定律（SH-GSL）概念示意图

图2:SH-GSL理论分析、超原子设计与镜像模式

图3:异常谐波反射、波束分束与多通道后向反射的仿真结果

图4:实验示意图与实验结果

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