超表面研究進展

黃新朝，付全紅，張富利

(西北工業大學，西安　710072)

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超表面研究進展

黃新朝，付全紅，張富利

(西北工業大學，西安710072)

摘 要:超表面是一種基于廣義斯涅爾定律,通過控制波前相位、振幅以及偏振進行電磁/光學波束調控的新結構,其新穎的機制和靈活的結構設計展現出廣闊的應用前景。本文闡明了超表面調控波束的物理機理,敘述超表面的發展歷程,即從實現超表面到提高有效分量和動態可調超表面的研究過程,總結了超表面透鏡、超表面偏振器、表面等離子體激元調控等功能器件,并對超表面有待解決的問題以及今后的發展趨勢進行了探討。

關鍵詞:超表面;波束調控;廣義斯涅爾定律;超表面器件

0引言

雷達作為戰爭之眼，擔負著對敵目標預警、探測、追蹤、定位等戰略和戰術任務，雷達性能在很大程度上決定了戰爭進度，是現代戰爭系統中最重要的環節之一。隨著新形勢下軍事斗爭形態的日新月異，雷達導引系統新體制、新技術的開發需求也日益迫切。傳統的機載、彈載雷達采用機械掃描的方式對目標進行探測、定位，雷達波束偏轉需要機械轉動裝置的輔助。然而，飛機、導彈等航空武器有限的空間直接制約了雷達天線掃描視角的范圍，且機械轉動時間的消耗也帶來了雷達天線目標搜索時間過長，跟蹤快速移動目標困難等問題。另一方面，相控陣雷達采用隔離器作為移相器可實現電掃描，具有掃描范圍大、掃描時間短、定位精確等優點，但是，相應的相位控制單元的數量多，體積龐大，無法適應航空器特別是彈載雷達的載重需要，且造價昂貴，不適宜在消耗量巨大的精確制導武器中應用。因此，探索電磁波/光波波束可控的新方法成為了當務之急。

另外，基于人工微結構的電磁超材料由于可以表現出傳統天然材料不具有的電磁/光學特性如負折射，及其任意調控電磁參數的奇異特性受到電磁、物理及材料等領域學者的重視。通過人工精巧設計的超材料構建空間折射率漸變，可以實現波束的偏轉[1]。

這種人工變折射率材料依據結構單元的電磁諧振性質與結構參數的敏感關系，建立折射率和幾何參數的數值關系，通過相位累計效應，實現變折射率器件。但是，由于這種設計理念存在出射波振幅難以保持一致、設計靈活度差、相位累計效應要求器件體積大等諸多缺點，使得這種人工變折射率材料的發展進入瓶頸期。后來，人們通過探索相位累計效應以外的新機理實現波束偏轉，超表面便應運而生。

超表面是一種通過控制波前相位、振幅以及偏振進行波束調控的新結構，在其最初研究者虞南方的論文[2]中被定義為“能夠使一束光在自由空間波長范圍內產生相位、振幅及偏振突變效應的超薄平面光學元件”，超表面具有以下三個特點：

(1) 超表面面對波前相位作用遠大于累計作用；

(2) 滿足亞波長條件，一般基于光學散射體設計；

(3) 單元設計靈活，可以通過結構設計達到阻抗匹配，增大透射率。

可以看出，超表面具有完全不同于傳統人工變折射率材料的波束調控機理，具有設計靈活、物理內涵豐富等諸多優點，再次掀起波束調控的研究熱潮，從而促進了超表面各種新穎物理圖像的研究。

1超表面理論基礎

基于廣義斯涅爾定律，超表面利用相位突變的梯度進行波束調控，實現反常折射和反常反射如圖1所示[3]。入射角為θi的入射光經存在相位突變梯度的超表面時，反射角為θr(θr≠θi)的反射光線和折射角為θt的折射光線(反射角和折射角不滿足普通折射定理)。

圖1廣義折射與反射示意圖

以推導廣義折射定理為例，如圖2所示[4]，在界面上有相位突變量Φ，并且Φ在x方向以一定梯度分布。根據費馬原理，兩點之間實際光線的相移取極值。這是一個泛函極值問題，在特殊情況下，可轉化為普通函數的極值問題。從A點出發的光線經過界面處不同位置D，E到達B點可以獲得相同相移，即光線經ADB和AEB兩種路徑的相移之差為0，表示為

k0nisinθidx+Φ+dΦ=k0ntsinθtdx+Φ

(1)

(2)

同樣可以得到廣義反射定理：

(3)

對式(3)等號右側變形得到：

(4)

圖2廣義折射定推導示意圖

2超表面實現反常折(反)射

通過上述分析，可知設計具有一定相位突變梯度，即可實現波束調控。虞南方等人利用“V”形天線首次實現超表面設計[4]。“V”形金屬天線中可以激勵起對稱和反對稱兩種本征模式，兩種模式產生的電場偏振方向垂直于入射波偏振方向且保持了較大的振幅。通過調節“V”形天線臂長和夾角，可以使散射電磁波獲得不同的相位差，且相位突變可以從0～2π連續變化，見圖3。虞南方及其合作者首先將其應用到中紅外波段，不久后其他研究者又將類似結構應用到近紅外波段[5]。

鏡像對稱的天線激發的電流模式見圖3(a)和(b)，故相位相差π。不同形狀“V”形天線的散射波相位見圖3(c)，相鄰天線之間相差π/4相位，單元間距滿足亞波長條件。

圖3入射電磁波在“V”形天線上激發的表面電流

由于上述“V”形天線超表面反常透射和反常反射基于該結構的散射波，所以其偏振反常分量很弱。為此，Nathaniel等研究者利用“金線”光柵/“聚酰亞胺”介質夾層/“金”薄基板三明治結構實現帶有線偏振效應的完美反常反射[6]如圖4所示。此結構的設計靈感來自于經典的法布里-珀羅干涉儀。結構示意圖如圖4(a)所示, 結構顯微圖如圖4(b)所示。外場E0沿x方向，激發出共極化分量px和交叉極化分量py兩種偏振模態，兩種模態在介質夾層中反復傳輸(多次反射)，增強py減弱px。交叉極化(垂直于外場偏振方向)和共極化(平行于外場偏振方向)反射率實驗結果如圖4(c)所示，在0.8 THz和1.36 THz橫向極化反射率達到80%以上，共極化反射率低于5%。

圖4“金線”光柵/“聚酰亞胺”介質夾層/“金”薄基板三明治結構示意圖

根據px分量很弱的特性，在雙層金線光柵夾層中設計的相位突變結構，即可極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等人提出了利用多層打孔的金屬孔徑波導之間的耦合來實現高透射率波束偏轉的方案[7]如圖5所示。Wei Zeyong等人發現，在多層金屬薄板的情形下，對金屬薄板打上外徑相同、內徑不同的圓環孔徑如圖5(a)所示，就能實現不同折射率。同時，在孔徑大小遠小于波長的情形下，電磁波通過金屬-電介質多層結構時如圖5(b)所示，會發生層與層之間的耦合。這種耦合一方面促使相位可以在0～2π連續變化，另一方面由金屬孔徑提供的倏逝諧振耦合(evanescent resonant coupling)能夠產生很高的透射率，這種局域的諧振決定了該結構的性質。實驗結果顯示，波束能以65%的透射率在10 GHz偏轉18°。

圖5多層打孔方案示意圖

此外，在提高透射率的研究上，Alu[8]、Gennady Shvets[9]及Grbic[10]等人的課題組分別就利用不同單元諧振調節阻抗匹配來提高透射率方面做了原理上的探索。

上述超表面一旦制備完成，只能以固定的方式調控電磁波，南京大學Zhu Bo提出利用引入了變容二極管的超表面動態調控波束的方案[11]。該工作巧妙地設計了一種具有雙諧振性質的超表面單元，可在固定頻段內實現對微波信號反射相位的360°連續動態調控，解決了傳統結構中相位調節范圍不足的問題。運用這種技術可對超表面每個單元的相位調節性質進行改變和控制，形成多種形式的相位調節方案，為電磁波調控提供了更加靈活的方法。最近，東南大學的Liu Shuo等人采取這一思想制造了加入二極管的可控超表面[12]。

通過上述超表面的研究歷程可以看出，前期研究者進行了提高有效分量、動態可調超表面的相關探索，努力提高超表面的可應用性，也顯示出能夠應用是超表面的基本要求之一。現今成熟的印刷電路板刻蝕、軟印刷、光刻等技術能充分保證超表面的制備，再加上超表面靈活的結構設計、新穎豐富的物理圖像，超表面雖未被廣泛應用，但基于超表面的光學器件正在被廣泛研究。

3超表面器件設計

超表面誕生至今，因其新穎的物理機制、豐富的物理圖像、靈活的結構設計，研究者們先后提出了很多新穎的光學器件，包括平面透鏡、偏振片、吸收器等。

3.1光學透鏡

圖6平面錐透鏡與平面器件示意圖

3.2超表面偏振片

由于超表面基于單元輻射對波束進行調控，與波束的偏振態密不可分，所以相關研究者利用這一特性，通過排布結構單元制成了四分之一波片、線偏振轉化器等平面偏振器，實現了線偏振向圓偏振[18-19]、提高反射率的共極化向交叉極化轉化[6]等偏振態轉變。

例如，在虞南方利用該結構單元輻射的有用分量(實現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，通過合理排布結構單元，實現線偏振向圓偏振的轉化[18]如圖7所示。

圖7超表面四分之一波片示意圖

該超表面由兩個具有不同相位突變分布的子單元構成(a單元和b單元)，兩個子單元相位差恰好為π/2，輻射的反常折射分量恰好滿足線偏振向圓偏振轉化條件。

3.3超表面實現渦旋光

渦旋光是一種等相位面呈螺旋狀的光束，相位因子為exp(ilθ)，其中l為拓撲荷數，每個光子攜帶軌道角動量L=hl，可以應用于光學捕捉[20]、光學通信[21]、STED熒光顯微鏡等領域[22]。渦旋光可以由空間波調制器、全息技術等實現，但自從超表面誕生后，一些研究者紛紛利用超表面器件產生渦旋光如圖8所示[23-25]，對傳統產生渦旋光技術產生沖擊。Patrice等人通過合理排布角向結構單元，控制相位突變量，產生渦旋光[23]。

圖8中，量子級聯激光器產生中紅外波段S偏振垂直入射激光，經分光器后一束經偏振器處理，偏振方向旋轉90°用作相干光，一束由超表面處理，產生等幅渦旋光。此超表面由8種子單元構成，在角向可以實現相位突變0～2π連續變化。兩束光最終相干疊加，由中紅外攝像儀記錄其強度分布。

圖8超表面實現渦旋光示意圖

3.4超表面實現波態轉變

在國內，復旦大學周磊教授的課題組利用漸變相位突變結構實現了平面波向表面波的轉化[26]，該方案使用的結構單元見圖9。由“H”型金屬/介電材料層/金屬平板組成的三明治結構，在入射光的照射下，兩層金屬材料中會產生反向誘導電流從而形成磁響應如圖9(a)所示。單元的尺寸遠小于波長(1/20～1/8波長)，將金屬條與底板之間的耦合電流視為等效的均勻電流。精細調整金屬條結構使出射波的相位沿x方向線性變化。由于在這種作用機理中，最基本的是金屬條與底板之間的耦合電流，耦合電流之間的相位差別沒有物理原則上的限制，可以任意地被調控，故能夠實現任意角度的波束偏轉甚至變成無法向外輻射的局域表面波。不同尺寸結構單元貢獻不同折射率如圖9(b)所示。超表面實現反常反射示意圖如圖9(c)所示。入射平面波轉化為無輻射表面波如圖9(d)所示。

圖9平面波向表面波轉化方案示意圖

3.5超表面調控表面等離激元

在經典光學中，介質對光的折射、反射、衍射都可以由光的波動性解釋，其產生原因均可以歸結于介質振子受外界光波驅動再輻射(散射)光波。對于超表面的結構單元散射外界光波的作用，同樣可以推廣得到廣義衍射定律[35]。利用超表面實現遵循廣義衍射定律的反常衍射，可以應用到調控表面等離激元上(Surface Plasma Polariton, SPPs)。

表面等離激元來源于費米面附近導帶電子受外界電磁場驅動的集體振蕩，這種集體振蕩行為能有效的將電磁場能量轉移為金屬表面電子的集體振動能[27-28]。產生表面等離激元的關鍵即為與外界光子耦合的過程，而光子單向激發表面等離激元在生物傳感器[29]、非線性光學[30]、磁光存儲[31]等領域具備重要的應用價值。但是目前常用的棱鏡耦合、周期溝槽耦合、拓撲缺陷耦合等耦合方式無法同時滿足單向激發和小尺寸元件兩個應用要求[32]。超表面誕生后，給SPPs耦合調控帶來了新契機，一些研究者相繼使用超表面調控手段實現了SPPs的單向激發[32-34]。例如在Huang Lingling等研究者的工作中[32]，在金屬薄板上合理排布矩形孔，實現超表面相位梯度分布。每個開孔可以看成由電偶極子和磁偶極子組成，在圓偏振垂直入射光作用下，輻射與入射光螺旋方向一致的正常衍射光波和與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終保持一致，不依賴于矩形孔的空間排布； 反常衍射光波的相位依賴于矩形孔空間排布，存在相位梯度如圖10所示。

圖10超表面實現單向激發SPPs示意圖

該超表面由矩形開孔金屬薄板和介質基板構成，垂直入射圓偏振光入射到超表面上發生相對法線對稱的正常衍射(O)和不對稱的反常衍射(A)，通過合理排布矩形開孔，可以實現只有一條一級衍射光束激發SPPs。

3.6可控超表面器件

在超表面發展的初始階段，研究者們就利用變容二極管探索可控超表面設計。最近可控超表面器件被廣泛研究，研究者們相繼提出溫控[36]、光控[37]、電控超表面[38-40]。尤其在電控超表面研究上，超表面最初研究者虞南方根據石墨烯電導率受電場影響的特性，預言了石墨烯超表面的出現[2]，而最近基于石墨烯的電控超表面果真被廣泛研究[39-41]。例如Yu Yao等研究者利用石墨烯電控超表面實現可控完美吸收。該結構設計為電控石墨烯超表面/損耗介質夾層/金屬基板三明治結構，厚度小于λ/10，見圖11(a)，可以誘導超表面結構與金屬基板電諧振，通過多次反射把光波囚禁在損耗介質中，從而實現完全吸收[39]。利用石墨烯電導率受電壓調制得特性，使得此完美吸收器可以在中紅外較寬波段內工作。電壓調控的工作頻點偏移見圖11(b)。

圖11可控超表面完美吸收器示意圖

可控完美吸收器的寬頻工作特性具有非常廣闊的應用前景，例如水解器[42]、隱身斗篷[48]等。

4超表面發展趨勢

超表面的優勢在于突破傳統塊體超材料的思想束縛，構造出各種利用現有技術更容易制備的結構。它在調控相位、振幅、偏振及阻抗等方面顯示出優越性，展現出廣闊的應用前景。為了增強對電磁波的調控能力，可調控的超表面也應運而生。縱觀其發展歷程，它一直朝著提高應用性的方向發展。超表面脫胎于超材料，雖然只有單層結構，但其基本結構單元一般也用金屬制造，在紅外-可見光波段內的金屬損耗仍然無法避免，而且受限于散射截面，透射模式效率無法提高，這都限制了超表面的大范圍應用。最近全介質超材料[43]和超表面[44- 45]均被報道，顯示出低損耗這一發展方向。另外，有學者提出如果可以利用半導體作為結構單元材料制造超表面，使用半導體加工工藝，那么將大幅提高其應用性[46]，最近一些研究者也對此進行了初探，實現了偏振態調控和光束匯聚[44, 47]。可以看到，超表面將會向著低損耗、寬頻段、可調控、易加工、高透過率等可提高應用性的方向發展。展望未來，這些有益的探索推動超表面基礎研究的同時，必將有力助推新型電磁波束調控和新型雷達的發展。

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Research Advances of Metasurface

Huang Xinchao, Fu Quanhong, Zhang Fuli

(Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

Abstract:Metasurface is a new ultrathin components which based on generalized Snell’s 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 metasurface-control 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 Snell’s Law; metasurface device

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.01.005

收稿日期：2015-06-03

基金項目：國家自然科學基金項目(11372248)； 航空科學基金項目(20120153001)

作者簡介：黃新朝(1993-)，男，河北滄州人, 碩士研究生，研究方向為人工微結構的電磁調控。

中圖分類號:TN95;O441

文獻標識碼:A

文章編號:1673-5048(2016)01-0028-07