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论文基本信息：

标题：
Measurement of microwave meta-quaternion vortex arrays enabling Luoshu-WeightLock imaging encryption

作者：
Sen Feng（江南大学理学院）；
Yifeng Wang（上海科技大学信息科学与技术学院）；
Zheng-Da Hu（江南大学理学院）；
通讯作者 王继成（江南大学理学院）；
通讯作者 王雄（上海科技大学信息科学与技术学院）；
Mengze Li（南京理工大学集成电路学院）；
Dazhi Ding（南京理工大学集成电路学院）；
Feng Zhang（厦门大学物理科学与技术学院）；
Sergei Khakhomov（Francisk Skorina Gomel State University Department of Optics and General Physics）

发表时间：
2025年7月21日（其中2025年4月9日投稿，2025年4月30日返修，2025年5月6日接收）

发表期刊：
Photonics Research（JCR-Q1，IF=7.2）

论文重要图文：

摘要：电磁超构表面在生成高纯度涡旋光束以及实现高分辨率成像和信息加密方面展现出巨大潜力。然而，传统GHz器件面临体积庞大和材料损耗导致效率降低等挑战。本文设计了一种多层结构，并通过仿真验证该结构可作为高效透射型超构原子。我们设计了多种尺寸的阵列，最终确定最优最小单元为超四元数涡旋阵列，随后将其用作目标图像的像素基元。制备了数字图案化GHz超器件，并在右旋圆偏振（RCP）光下进行实验表征，实验结果与仿真高度吻合。我们将经典九宫格加密方法（洛书）与超构表面相结合，并引入加权叠加计算技术（WeightLock），实现了目标字符的多层加密。本研究为下一代5G/6G通信系统、雷达探测和信息加密领域提供了新策略，在智能通信和先进雷达技术中展现出广阔应用前景。

图1. 用于沿光传播方向生成涡旋光束的透射型超构表面示意图。该超构表面采用最小尺寸阵列产生目标图像的涡旋像素点，并结合基于权重的计算技术以实现字符的多层加密。

图2. 超构表面单元结构示意图：(a) 各金属层和介质层的尺寸参数；(b) 单元的模拟透射系数；© 单元的模拟透射相位。

图3. 不同拓扑荷超构表面的近场数值模拟结果。(a)、(b) 显示在11.7 GHz右旋圆偏振（RCP）照明下，拓扑荷l=1的涡旋光束的模拟近场强度和相位分布；© 为相应的模拟纯度。仅改变拓扑荷，(d)、(e) 呈现l=2的模拟近场强度和相位分布，(f) 为模拟纯度。类似地，(g)、(h) 展示l=3的近场强度和相位分布，(i) 为相应的模拟纯度。

图4. 扩展拓扑荷态对应的涡旋光束相位分布。(a)–(i) 分别对应拓扑荷值1至9的情况。

图5. 不同阵列尺寸超构表面的近场结果。(a) 为20×20超构表面；(b)、© 为右旋圆偏振照明下的模拟近场振幅和相位分布。阵列尺寸减小至4×4时，(d) 为结构示意图，(e)、(f) 为相应的模拟近场振幅和相位分布。进一步减小至2×2时，(g) 为结构示意图，(h)、(i) 为模拟近场振幅和相位分布。

图6. (a) 三种字母阵列；(b) 字母形超构表面阵列的振幅分布；© 字母形超构表面阵列的相位分布。

图7. (a) 制备的超构表面板及用于测量所设计超构表面近场结果的实验装置；(b) 10.67 GHz处的模拟振幅和相位分布；© 10.67 GHz处的实验测量振幅和相位分布。

图8. 加密原理示意图：(a) 光传播与波前调制；(b) 加密原理及示例演示；© 解密过程。

图9. 权重矩阵变化后的字母映射规则及示例演示。

论文快览：

解决的问题：
微波涡旋光束在通信与加密领域应用广泛，但传统器件存在体积庞大、材料损耗导致效率低下的问题，而现有超表面虽能调控波前，却受限于单偏振操控与低透射率，且缺乏结合经典加密算法的多层安全机制，难以满足高分辨率与高安全性的集成需求。

提出的方法：
设计基于几何相位的多层金属透射超表面，单元由三层U型金属谐振器与两层F4B介质层构成，通过琼斯矩阵编码实现圆偏振正交通道独立调控。采用2×2元四元涡旋阵列作为像素单元，结合洛书九宫格加密与加权叠加计算，构建联合矩阵对数字与字母序列进行扰动，经之字形展平生成加密序列，通过机械旋转层间结构动态调制相位梯度。

实现的效果：
在10.67 GHz频率下，x/y偏振透射系数分别达0.99和0.86，相位差近180度，实验与模拟结果高度吻合。生成拓扑荷1-9的高纯度涡旋光束，最小2×2阵列实现清晰近场分布，加密系统对“JNU”明文扰动后生成“UAC”密文，解密需特定频率、成像位置与九宫格权重，验证了多层加密可行性。

创新点分析：
首次将Moiré工程与极化复用结合，通过机械旋转实现无外部刺激的动态调控，突破传统超表面对能源的依赖。创新性引入元四元阵列像素化设计，结合洛书九宫格与加权叠加算法，实现光学与数学加密的深度融合，为微波段高安全通信提供了紧凑型低损耗集成方案，拓展了超表面在智能加密领域的应用边界。

• Sen Feng, Yifeng Wang, Zheng-Da Hu, Jicheng Wang, Xiong Wang, Mengze Li, Dazhi Ding, Feng Zhang, Sergei Khakhomov, “Measurement of microwave meta-quaternion vortex arrays enabling Luoshu-WeightLock imaging encryption,” Photonics Res. 13, 2065 (2025) .DOI: 10.1364/PRJ.564684