超表面研究进展

    黄新朝　付全红　张富利

    摘要： 超表面是一种基于广义斯涅尔定律， 通过控制波前相位、 振幅以及偏振进行电磁/光学波束调控的新结构， 其新颖的机制和灵活的结构设计展现出广阔的应用前景。 本文阐明了超表面调控波束的物理机理， 叙述超表面的发展历程， 即从实现超表面到提高有效分量和动态可调超表面的研究过程， 总结了超表面透镜、 超表面偏振器、 表面等离子体激元调控等功能器件， 并对超表面有待解决的问题以及今后的发展趋势进行了探讨。

    关键词： 超表面； 波束调控； 广义斯涅尔定律； 超表面器件

    中图分类号： TN95； O441 文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）01-0028-07

    Abstract： Metasurface is a new ultrathin components which based on generalized Snells Law to manipulate electromagnetic （EM） and light beam in the phase， amplitude and polarization. It shows broad application prospects due to its novel mechanism and flexible design. This review focuses on the physical mechanism of metasurfacecontrol beams and the development of metasurface including the original metasurface， the method to increase anomalous coefficient of reflection and transmission， and tunable metasurface components. Subsequently， this review introduces ultrathin flat lenses， metasurface polarizer， unidirectional excitation of surface plasmon polariton and others metasurface devices. At last， challenges and prospectives on metasurface are also discussed.

    Key words： metasurface； beam regulation； generalized Snells Law； metasurface device

    0引言

    雷达作为战争之眼， 担负着对敌目标预警、 探测、 追踪、 定位等战略和战术任务， 雷达性能在很大程度上决定了战争进度， 是现代战争系统中最重要的环节之一。 随着新形势下军事斗争形态的日新月异， 雷达导引系统新体制、 新技术的开发需求也日益迫切。 传统的机载、 弹载雷达采用机械扫描的方式对目标进行探测、 定位， 雷达波束偏转需

    要机械转动装置的辅助。 然而， 飞机、 导弹等航空

    武器有限的空间直接制约了雷达天线扫描视角的范围， 且机械转动时间的消耗也带来了雷达天线目标搜索时间过长， 跟踪快速移动目标困难等问题。 另一方面， 相控阵雷达采用隔离器作为移相器可实现电扫描， 具有扫描范围大、 扫描时间短、 定位精确等优点， 但是， 相应的相位控制单元的数量多， 体积庞大， 无法适应航空器特别是弹载雷达的载重需要， 且造价昂贵， 不适宜在消耗量巨大的精确制导武器中应用。 因此， 探索电磁波/光波波束可控的新方法成为了当务之急。

    另外， 基于人工微结构的电磁超材料由于可以表现出传统天然材料不具有的电磁/光学特性如负折射， 及其任意调控电磁参数的奇异特性受到电磁、 物理及材料等领域学者的重视。 通过人工精巧设计的超材料构建空间折射率渐变， 可以实现波束的偏转[1]。

    这种人工变折射率材料依据结构单元的电磁谐振性质与结构参数的敏感关系， 建立折射率和几何参数的数值关系， 通过相位累计效应， 实现变折射率器件。 但是， 由于这种设计理念存在出射波振幅难以保持一致、 设计灵活度差、 相位累计效应要求器件体积大等诸多缺点， 使得这种人工变折射率材料的发展进入瓶颈期。 后来， 人们通过探索相位累计效应以外的新机理实现波束偏转， 超表面便应运而生。

    超表面是一种通过控制波前相位、 振幅以及偏振进行波束调控的新结构， 在其最初研究者虞南方的论文[2]中被定义为“能够使一束光在自由空间波长范围内产生相位、 振幅及偏振突变效应的超薄平面光学元件”， 超表面具有以下三个特点：

    （1） 超表面面对波前相位作用远大于累计作用；

    （2） 满足亚波长条件， 一般基于光学散射体设计；

    （3） 单元设计灵活， 可以通过结构设计达到阻抗匹配， 增大透射率。

    可以看出， 超表面具有完全不同于传统人工变折射率材料的波束调控机理， 具有设计灵活、 物理内涵丰富等诸多优点， 再次掀起波束调控的研究热潮， 从而促进了超表面各种新颖物理图像的研究。

    1超表面理论基础

    基于广义斯涅尔定律， 超表面利用相位突变的梯度进行波束调控， 实现反常折射和反常反射如图1所示[3]。 入射角为θi的入射光经存在相位突变梯度的超表面时， 反射角为θr（θr≠θi）的反射光线和折射角为θt的折射光线（反射角和折射角不满足普通折射定理）。

    以推导广义折射定理为例， 如图2所示[4]， 在界面上有相位突变量Φ， 并且Φ在x方向以一定梯度分布。 根据费马原理， 两点之间实际光线的相移取极值。 这是一个泛函极值问题， 在特殊情况下， 可转化为普通函数的极值问题。 从A点出发的光线经过界面处不同位置D， E到达B点可以获得相同相移， 即光线经ADB和AEB两种路径的相移之差为0， 表示为

    2超表面实现反常折（反）射

    通过上述分析， 可知设计具有一定相位突变梯度， 即可实现波束调控。 虞南方等人利用“V”形天线首次实现超表面设计[4]。 “V”形金属天线中可以激励起对称和反对称两种本征模式， 两种模式产生的电场偏振方向垂直于入射波偏振方向且保持了较大的振幅。 通过调节“V”形天线臂长和夹角， 可以使散射电磁波获得不同的相位差， 且相位突变可以从0～2π连续变化， 见图3。 虞南方及其合作者首先将其应用到中红外波段， 不久后其他研究者又将类似结构应用到近红外波段[5]。

    镜像对称的天线激发的电流模式见图3（a）和（b）， 故相位相差π。 不同形状“V”形天线的散射波相位见图3（c）， 相邻天线之间相差π/4相位，单元间距满足亚波长条件。

    由于上述“V”形天线超表面反常透射和反常反射基于该结构的散射波， 所以其偏振反常分量很弱。 为此， Nathaniel等研究者利用“金线”光栅/“聚酰亚胺”介质夹层/“金”薄基板三明治结构实现带有线偏振效应的完美反常反射[6]如图4所示。 此结构的设计灵感来自于经典的法布里-珀罗干涉仪。

    结构示意图如图4（a）所示， 结构显微图如图4（b）所示。 外场E0沿x方向， 激发出共极化分量px和交叉极化分量py两种偏振模态， 两种模态在介质夹层中反复传输（多次反射）， 增强py减弱px。 交叉极化（垂直于外场偏振方向）和共极化（平行于外场偏振方向）反射率实验结果如图4（c）所示， 在0.8 THz和1.36 THz横向极化反射率达到80%以上， 共极化反射率低于5%。

    根据px分量很弱的特性， 在双层金线光栅夹层中设计的相位突变结构， 即可极大地提高反常反射率（有效的散射分量）。

    另外， 在提高反常折射的透射率探索中， Wei Zeyong等人提出了利用多层打孔的金属孔径波导之间的耦合来实现高透射率波束偏转的方案[7]如图5所示。 Wei Zeyong等人发现， 在多层金属薄板的情形下， 对金属薄板打上外径相同、 内径不同的圆环孔径如图5（a）所示， 就能实现不同折射率。 同时， 在孔径大小远小于波长的情形下， 电磁波通过金属-电介质多层结构时如图5（b）所示， 会发生层与层之间的耦合。 这种耦合一方面促使相位可以在0～2π连续变化， 另一方面由金属孔径提供的倏逝谐振耦合（evanescent resonant coupling）能够产生很高的透射率， 这种局域的谐振决定了该结构的性质。 实验结果显示， 波束能以65%的透射率在10 GHz偏转18°。

    此外， 在提高透射率的研究上， Alu[8]、 Gennady Shvets [9]及Grbic[10]等人的课题组分别就利用不同单元谐振调节阻抗匹配来提高透射率方面做了原理上的探索。

    上述超表面一旦制备完成， 只能以固定的方式调控电磁波， 南京大学Zhu Bo提出利用引入了变容二极管的超表面动态调控波束的方案[11]。 该工作巧妙地设计了一种具有双谐振性质的超表面单元， 可在固定频段内实现对微波信号反射相位的360°连续动态调控， 解决了传统结构中相位调节范围不足的问题。 运用这种技术可对超表面每个单元的相位调节性质进行改变和控制， 形成多种形式的相位调节方案， 为电磁波调控提供了更加灵活的方法。 最近， 东南大学的Liu Shuo等人采取这一思想制造了加入二极管的可控超表面[12]。

    通过上述超表面的研究历程可以看出， 前期研究者进行了提高有效分量、 动态可调超表面的相关探索， 努力提高超表面的可应用性， 也显示出能够应用是超表面的基本要求之一。 现今成熟的印刷电路板刻蚀、 软印刷、 光刻等技术能充分保证超表面的制备， 再加上超表面灵活的结构设计、 新颖丰富的物理图像， 超表面虽未被广泛应用， 但基于超表面的光学器件正在被广泛研究。

    3超表面器件设计

    超表面诞生至今， 因其新颖的物理机制、 丰富的物理图像、 灵活的结构设计， 研究者们先后提出了很多新颖的光学器件， 包括平面透镜、 偏振片、 吸收器等。

    3.1光学透镜

    基于超表面， 研究者们设计出了各种功能新颖的光学透镜[13- 15]。 例如超表面结构实现锥棱镜特性， 锥棱镜可以实现高斯光束向贝塞尔光束的转换， 自从1954年[16]发现这一现象至今已被广泛应用， 但因其复杂的制备技术、 严格的工艺要求、 大体积等因素限制了它的进一步发展[17]， 超表面的出现使其发展出现了新的契机。 Capasso课题组通过合理的设计存在径向相位突变分布的超表面器件[14]， 在通讯波长范围实现与锥面透镜有相同作用的平面光学器件如图6所示。

    平面锥透镜示意图如图6（a）所示， 图中， DOF为景深； PA为平面器件上具有特定相位突变的一点， 其相位突变量等效为锥面透镜上的SA点； β=tan-1（r/DOF）； r为超表面器件半径。 由广义折射定律可以知道相位分布满足ΦAx，y=k0x2+y2sinβ。 平面器件汇聚的贝塞尔光束如图6（b）所示。

    3.2超表面偏振片

    由于超表面基于单元辐射对波束进行调控， 与波束的偏振态密不可分， 所以相关研究者利用这一特性， 通过排布结构单元制成了四分之一波片、 线偏振转化器等平面偏振器， 实现了线偏振向圆偏振[18-19]、 提高反射率的共极化向交叉极化转化[6]等偏振态转变。

    例如， 在虞南方利用该结构单元辐射的有用分量（实现反常折射和反常反射的散射分量）的偏振方向垂直于入射波偏振方向的特性， 通过合理排布结构单元， 实现线偏振向圆偏振的转化[18]如图7所示。

    该超表面由两个具有不同相位突变分布的子单元构成（a单元和b单元）， 两个子单元相位差恰好为π/2， 辐射的反常折射分量恰好满足线偏振向圆偏振转化条件。

    3.3超表面实现涡旋光

    涡旋光是一种等相位面呈螺旋状的光束， 相位因子为exp（ilθ）， 其中l为拓扑荷数， 每个光子携带轨道角动量L=hl， 可以应用于光学捕捉[20]、 光学通信[21]、 STED荧光显微镜等领域[22]。 涡旋光可以由空间波调制器、 全息技术等实现， 但自从超表面诞生后， 一些研究者纷纷利用超表面器件产生涡旋光如图8所示[23-25]， 对传统产生涡旋光技术产生冲击。 Patrice等人通过合理排布角向结构单元， 控制相位突变量， 产生涡旋光[23]。

    图8中， 量子级联激光器产生中红外波段S偏振垂直入射激光， 经分光器后一束经偏振器处理， 偏振方向旋转90°用

    作相干光， 一束由超表面处理， 产生等幅涡旋光。 此超表面由8种子单元构成， 在角向可以实现相位突变0～2π连续变化。 两束光最终相干叠加， 由中红外摄像仪记录其强度分布。

    3.4超表面实现波态转变

    在国内， 复旦大学周磊教授的课题组利用渐变相位突变结构实现了平面波向表面波的转化[26]， 该方案使用的结构单元见图9。 由“H”型金属/介电材料层/金属平板组成的三明治结构， 在入射光的照射下， 两层金属材料中会产生反向诱导电流从而形成磁响应如图9（a）所示。 单元的尺寸远小于波长（1/20～1/8波长）， 将金属条与底板之间的耦合电流视为等效的均匀电流。 精细调整金属条结构使出射波的相位沿x方向线性变化。 由于在这种作用机理中， 最基本的是金属条与底板之间的耦合电流， 耦合电流之间的相位差别没有物理原则上的限制， 可以任意地被调控， 故能够实现任意角度的波束偏转甚至变成无法向外辐射的局域表面波。 不同尺寸结构单元贡献不同折射率如图9（b）所示。超表面实现反常反射示意图如图9（c）所示。 入射平面波转化为无辐射表面波如图9（d）所示。

    3.5超表面调控表面等离激元

    在经典光学中， 介质对光的折射、 反射、 衍射都可以由光的波动性解释， 其产生原因均可以归结于介质振子受外界光波驱动再辐射（散射）光波。 对于超表面的结构单元散射外界光波的作用， 同样可以推广得到广义衍射定律[35]。 利用超表面实现遵循广义衍射定律的反常衍射， 可以应用到调控表面等离激元上（Surface Plasma Polariton， SPPs）。

    表面等离激元来源于费米面附近导带电子受外界电磁场驱动的集体振荡， 这种集体振荡行为能有效的将电磁场能量转移为金属表面电子的集体振动能[27-28]。 产生表面等离激元的关键即为与外界光子耦合的过程， 而光子单向激发表面等离激元在生物传感器[29]、 非线性光学 [30]、 磁光存储[31]等领域具备重要的应用价值。 但是目前常用的棱镜耦合、 周期沟槽耦合、 拓扑缺陷耦合等耦合方式无法同时满足单向激发和小尺寸元件两个应用要求[32]。 超表面诞生后， 给SPPs耦合调控带来了新契机， 一些研究者相继使用超表面调控手段实现了SPPs的单向激发[32-34]。 例如在Huang Lingling等研究者的工作中[32]， 在金属薄板上合理排布矩形孔， 实现超表面相位梯度分布。 每个开孔可以看成由电偶极子和磁偶极子组成， 在圆偏振垂直入射光作用下， 辐射与入射光螺旋方向一致的正常衍射光波和与入射光螺旋方向相反的反常衍射光波。 正常衍射光波相位始终保持一致， 不依赖于矩形孔的空间排布； 反常衍射光波的相位依赖于矩形孔空间排布， 存在相位梯度如图10所示。

    该超表面由矩形开孔金属薄板和介质基板构成， 垂直入射圆偏振光入射到超表面上发生相对法线对称的正常衍射（O）和不对称的反常衍射（A）， 通过合理排布矩形开孔， 可以实现只有一条一级衍射光束激发SPPs。

    3.6可控超表面器件

    在超表面发展的初始阶段， 研究者们就利用变容二极管探索可控超表面设计。 最近可控超表面器件被广泛研究， 研究者们相继提出温控[36]、 光控[37]、 电控超表面[38-40]。 尤其在电控超表面研究上， 超表面最初研究者虞南方根据石墨烯电导率受电场影响的特性， 预言了石墨烯超表面的出现[2]， 而最近基于石墨烯的电控超表面果真被广泛研究[39-41]。 例如Yu Yao等研究者利用石墨烯电控超表面实现可控完美吸收。 该结构设计为电控石墨烯超表面/损耗介质夹层/金属基板三明治结构， 厚度小于λ/10， 见图11（a）， 可以诱导超表面结构与金属基板电谐振， 通过多次反射把光波囚禁在损耗介质中， 从而实现完全吸收 [39]。 利用石墨烯电导率受电压调制得特性， 使得此完美吸收器可以在中红外较宽波段内工作。 电压调控的工作频点偏移见图11（b）。

    可控完美吸收器的宽频工作特性具有非常广阔的应用前景， 例如水解器[42]、 隐身斗篷[48]等。

    4超表面发展趋势

    超表面的优势在于突破传统块体超材料的思想束缚， 构造出各种利用现有技术更容易制备的结构。 它在调控相位、 振幅、 偏振及阻抗等方面显示出优越性， 展现出广阔的应用前景。 为了增强对电磁波的调控能力， 可调控的超表面也应运而生。 纵观其发展历程， 它一直朝着提高应用性的方向发展。 超表面脱胎于超材料， 虽然只有单层结构， 但其基本结构单元一般也用金属制造， 在红外-可见光波段内的金属损耗仍然无法避免， 而且受限于散射截面， 透射模式效率无法提高， 这都限制了超表面的大范围应用。 最近全介质超材料[43]和超表面[44- 45]均被报道， 显示出低损耗这一发展方向。 另外， 有学者提出如果可以利用半导体作为结构单元材料制造超表面， 使用半导体加工工艺， 那么将大幅提高其应用性[46]， 最近一些研究者也对此进行了初探， 实现了偏振态调控和光束汇聚[44， 47]。 可以看到， 超表面将会向着低损耗、 宽频段、 可调控、 易加工、 高透过率等可提高应用性的方向发展。 展望未来， 这些有益的探索推动超表面基础研究的同时， 必将有力助推新型电磁波束调控和新型雷达的发展。

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