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論文基本信息：

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

作者：
Sen Feng（江南大學理學院）；
Yifeng Wang（上海科技大學信息科學與技術學院）；
Zheng-Da Hu（江南大學理學院）；
通訊作者 王繼成（江南大學理學院）；
通訊作者 王雄（上海科技大學信息科學與技術學院）；
Mengze Li（南京理工大學集成電路學院）；
Dazhi Ding（南京理工大學集成電路學院）；
Feng Zhang（廈門大學物理科學與技術學院）；
Sergei Khakhomov（Francisk Skorina Gomel State University Department of Optics and General Physics）

發表時間：
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）

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

論文重要圖文：

摘要：電磁超構表面在生成高純度渦旋光束以及實現高分辨率成像和信息加密方面展現出巨大潛力。然而，傳統GHz器件面臨體積龐大和材料損耗導致效率降低等挑戰。本文設計了一種多層結構，并通過仿真驗證該結構可作為高效透射型超構原子。我們設計了多種尺寸的陣列，最終確定最優最小單元為超四元數渦旋陣列，隨后將其用作目標圖像的像素基元。制備了數字圖案化GHz超器件，并在右旋圓偏振（RCP）光下進行實驗表征，實驗結果與仿真高度吻合。我們將經典九宮格加密方法（洛書）與超構表面相結合，并引入加權疊加計算技術（WeightLock），實現了目標字符的多層加密。本研究為下一代5G/6G通信系統、雷達探測和信息加密領域提供了新策略，在智能通信和先進雷達技術中展現出廣闊應用前景。

圖1. 用于沿光傳播方向生成渦旋光束的透射型超構表面示意圖。該超構表面采用最小尺寸陣列產生目標圖像的渦旋像素點，并結合基于權重的計算技術以實現字符的多層加密。

圖2. 超構表面單元結構示意圖：(a) 各金屬層和介質層的尺寸參數；(b) 單元的模擬透射系數；? 單元的模擬透射相位。

圖3. 不同拓撲荷超構表面的近場數值模擬結果。(a)、(b) 顯示在11.7 GHz右旋圓偏振（RCP）照明下，拓撲荷l=1的渦旋光束的模擬近場強度和相位分布；? 為相應的模擬純度。僅改變拓撲荷，(d)、(e) 呈現l=2的模擬近場強度和相位分布，(f) 為模擬純度。類似地，(g)、(h) 展示l=3的近場強度和相位分布，(i) 為相應的模擬純度。

圖4. 擴展拓撲荷態對應的渦旋光束相位分布。(a)–(i) 分別對應拓撲荷值1至9的情況。

圖5. 不同陣列尺寸超構表面的近場結果。(a) 為20×20超構表面；(b)、? 為右旋圓偏振照明下的模擬近場振幅和相位分布。陣列尺寸減小至4×4時，(d) 為結構示意圖，(e)、(f) 為相應的模擬近場振幅和相位分布。進一步減小至2×2時，(g) 為結構示意圖，(h)、(i) 為模擬近場振幅和相位分布。

圖6. (a) 三種字母陣列；(b) 字母形超構表面陣列的振幅分布；? 字母形超構表面陣列的相位分布。

圖7. (a) 制備的超構表面板及用于測量所設計超構表面近場結果的實驗裝置；(b) 10.67 GHz處的模擬振幅和相位分布；? 10.67 GHz處的實驗測量振幅和相位分布。

圖8. 加密原理示意圖：(a) 光傳播與波前調制；(b) 加密原理及示例演示；? 解密過程。

圖9. 權重矩陣變化后的字母映射規則及示例演示。

論文快覽：

解決的問題：
微波渦旋光束在通信與加密領域應用廣泛，但傳統器件存在體積龐大、材料損耗導致效率低下的問題，而現有超表面雖能調控波前，卻受限于單偏振操控與低透射率，且缺乏結合經典加密算法的多層安全機制，難以滿足高分辨率與高安全性的集成需求。

提出的方法：
設計基于幾何相位的多層金屬透射超表面，單元由三層U型金屬諧振器與兩層F4B介質層構成，通過瓊斯矩陣編碼實現圓偏振正交通道獨立調控。采用2×2元四元渦旋陣列作為像素單元，結合洛書九宮格加密與加權疊加計算，構建聯合矩陣對數字與字母序列進行擾動，經之字形展平生成加密序列，通過機械旋轉層間結構動態調制相位梯度。

實現的效果：
在10.67 GHz頻率下，x/y偏振透射系數分別達0.99和0.86，相位差近180度，實驗與模擬結果高度吻合。生成拓撲荷1-9的高純度渦旋光束，最小2×2陣列實現清晰近場分布，加密系統對“JNU”明文擾動后生成“UAC”密文，解密需特定頻率、成像位置與九宮格權重，驗證了多層加密可行性。

創新點分析：
首次將Moiré工程與極化復用結合，通過機械旋轉實現無外部刺激的動態調控，突破傳統超表面對能源的依賴。創新性引入元四元陣列像素化設計，結合洛書九宮格與加權疊加算法，實現光學與數學加密的深度融合，為微波段高安全通信提供了緊湊型低損耗集成方案，拓展了超表面在智能加密領域的應用邊界。

• 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