日前，北京理工大学物理学院张向东教授团队与集成电路与电子学院孙厚军教授团队合作，在光子时间晶体研究方面取得重要进展。研究团队首次实验实现了基于光子时间晶体的表面发射微波涡旋波束激射，在无需传统增益介质和高Q谐振腔的条件下，获得了携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）的相干微波辐射。相关研究成果发表在近期的Phy. Rev. Lett.[Phys. Rev. Lett. 137, 023801 (2026)]上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和北京市自然科学基金的资助。北京理工大学物理学院黄磊博士、张蔚暄教授为论文共同第一作者，物理学院张蔚暄教授、集成电路与电子学院孙厚军教授和物理学院张向东教授为共同通讯作者。另外，物理学院邹德源助理教授、集成电路与电子学院包嘉诚博士、物理学院邸凤潇博士、博士生秦皓宇、钱龙博士也对此工作做出了重要贡献。

光子时间晶体是一类电磁参数随时间周期性变化的人工结构。不同于传统空间周期光子晶体，光子时间晶体通过时间调制引入时间反射和时间折射，可在动量空间中形成特殊的动量带隙（k-gap），进而诱导选择性放大、非互易传播以及无需常规增益介质的相干辐射等新奇效应。近年来，光子时间晶体已成为时变介质、非厄米光子学和 Floquet 光子学中的重要研究方向。

微波激射器（maser）作为激光器的微波对应物，在深空通信、精密测量、量子技术和低噪声放大等领域具有重要应用价值。然而，传统微波激射器通常依赖高 Q 腔和特定增益介质，并可能需要低温、高真空或强磁场等苛刻条件，限制了其可集成性、可调谐性和实际应用范围。同时，传统微波激射方案通常产生非结构化电磁场，难以直接获得携带 OAM 的微波涡旋波束。

携带 OAM 的微波波束具有螺旋相位波前和拓扑荷自由度，在大容量通信、雷达成像、精密传感和多维信息复用等方面具有广阔应用前景。因此，如何利用光子时间晶体的动量带隙放大机制，在开放结构中实现表面发射、相干放大并携带 OAM 的微波辐射，是该领域亟待解决的重要问题。

研究亮点之一：提出表面发射 OAM 微波激射的光子时间晶体理论方案

针对传统光子时间晶体多依赖三维体结构、难以实现表面发射和 OAM 调控的问题，研究团队提出了一种环形空时调制光子时间晶体模型(图1a)。该模型将时变表面电容设计在二维环形结构中，使电磁波沿环向传播，并通过时间调制产生动量带隙放大(图1d-e)。

图1. 基于光子时间晶体的表面发射 OAM 微波激射理论方案

在均匀时间调制情况下，系统保持连续旋转对称性，顺时针和逆时针传播的动量带隙模式相互简并，两者辐射出的 OAM 分量相互抵消，因此远场总辐射不携带净 OAM(图1h)。进一步地，研究团队引入具有角向相位梯度的空时调制，使系统的顺时针和逆时针模式发生非互易频率分裂。该机制打破了相反传播方向模式之间的简并，使特定频率处的远场辐射呈现螺旋相位分布，从而实现携带 OAM 的相干微波发射(图1i)。

理论分析表明，该方案并不依赖传统高 Q 腔中的强谐振增强，也不需要常规增益介质中的粒子数反转过程。其核心物理机制来自光子时间晶体动量带隙中的自放大，而环形表面结构则为垂直发射和 OAM 波前构造提供了空间自由度。

研究亮点之二：发展乘法器驱动的时变超材料平台

为了在实验中实现上述理论方案，研究团队设计并制备了乘法器驱动的时变超材料结构(图2a)。该结构由环形平面波导和多个时变电容调制单元构成。每个调制单元通过微波倍频器和固定电容实现等效时变电容，从而在环形波导中构造离散化的空时调制表面电容。

与传统基于变容二极管的调制方案相比，该乘法器驱动方法具有三个重要优势：一是能够实现高达 100% 的等效介电常数调制深度，从而打开足够宽的动量带隙；二是在较大调制电压下仍可保持近似线性的调制响应；三是调制信号与传播信号之间具有良好的隔离性，有利于抑制串扰并提高系统稳定性(图2b)。

研究团队在环形结构中集成了六个乘法器驱动的时变电容模块，并通过设置不同模块的调制相位实现空时调制。全波仿真结果显示，在时间调制下，近场和远场信号均出现指数增长并最终进入饱和状态，频谱中出现与动量带隙模式对应的特征峰；在空时调制下，频谱进一步发生分裂，远场相位分布呈现涡旋特征，验证了该结构实现 OAM 微波激射的可行性(图2l)。

图2. 乘法器驱动的空时调制超表面平台及 OAM 激射仿真结果

研究亮点之三：实验观测表面发射微波涡旋波束激射

在理论设计和仿真验证的基础上，研究团队制备了半径为 0.1 m、环形间隙宽度为 1 mm、集成六个倍频器驱动时变电容模块的实验样品(图3a-b)，并系统测量了其近场和远场辐射特性(图3c-f)。

首先，在均匀时间调制条件下，研究团队观测到由光子时间晶体动量带隙主导的相干微波发射。实验结果显示，当调制电压低于阈值时，系统中的场强低于探测极限，说明动量带隙放大不足以克服材料吸收、传输损耗和辐射损耗；当调制电压超过约 0.37 V 后，近场和远场信号强度均出现快速跃升并进入饱和状态，表明系统进入自维持的微波激射状态(图3e,f)。

图3. 实验样品及均匀时间调制下的表面发射微波激射观测

随后，研究团队进一步构建空时调制光子时间晶体，使六个调制模块之间具有确定的相位梯度(图4)。实验结果表明，系统频谱出现明显的频率分裂，并在调制电压超过约 0.44 V 后呈现阈值触发的相干放大行为(图4a-d)。远场测量进一步显示，在617.9 MHz 处，辐射强度分布出现中心暗核，远场相位呈现清晰的螺旋结构，对应拓扑荷为 -1 的 OAM 波束，其 OAM 纯度达到 77.29%。这一结果证明研究团队成功实现了基于光子时间晶体的表面发射微波涡旋波束激射(图4f)。

值得注意的是，该OAM 微波激射并非来自传统天线阵列的相位馈电，也不是传统微波激射器与涡旋辐射器件的简单组合，而是由空时调制光子时间晶体中的动量带隙放大、非互易模式分裂和环形表面辐射共同决定。这为主动时变超材料、结构化微波源和 OAM 信息调控提供了新的物理机制与技术路线。

图4. 空时调制下的频谱分裂与 OAM 微波涡旋波束实验结果

本研究首次实验实现了基于空时调制光子时间晶体的表面发射微波涡旋波束激射。研究人员将光子时间晶体激射模型从传统体结构和单纯时间调制拓展到表面结构和空时调制体系，实现了无需增益介质、无需高 Q 腔的相干微波放大，并进一步将 OAM 拓扑信息直接编码到微波激射场中。

该研究突破了传统微波激射器在增益介质、谐振腔结构和波前调控方面的限制，展示了光子时间晶体在新型相干微波源、OAM 波束发生器和高效可调谐辐射平台中的应用潜力。未来，通过提高调制频率、增加空时调制单元数量、优化相位同步精度并降低系统损耗，该方案有望拓展到更高频段和更高阶 OAM 模式，为下一代无线通信、雷达成像、先进传感和多维信息复用技术提供新的器件基础。

论文链接：https://doi.org/10.1103/6gn2-2v9b