張檢發(fā)，袁曉東，秦石喬

(國防科學技術(shù)大學光電科學與工程學院，湖南長沙410073)

1 引言

在過去的十多年中，電磁超材料(metamaterials)吸引了人們廣泛的研究興趣。電磁超材料是由亞波長結(jié)構(gòu)單元組成，具有自然界材料所沒有的新穎電磁特性的人工結(jié)構(gòu)材料［1］。根據(jù)電磁超材料工作的頻譜范圍，可以將它簡單地劃分為微波超材料、太赫茲超材料及光學超材料。電磁超材料最早是在微波頻率段實現(xiàn)的，隨后很快發(fā)展到從太赫茲到紅外及可見光的幾乎整個電磁頻譜范圍［2-8］。超材料的研究已經(jīng)遠遠超出了最初的“負折射材料”或者“左手材料”［9-10］的范疇。在超材料的基礎(chǔ)上，人們又提出了超表面(metasurface)［11-13］，超器件 (metadevice)［14］等新的概念。如今，一方面人們依然在探索超材料的新穎特性和物理現(xiàn)象，另一方面則將注意力轉(zhuǎn)向超材料的實際應(yīng)用。

超材料在光的偏振、相位和振幅控制方面具有許多傳統(tǒng)光學材料和器件無法比擬的獨特優(yōu)勢，在新型光學元件的開發(fā)方面具有巨大潛力。利用超材料對光的超常控制能力可以實現(xiàn)一些新的元件，如寬帶圓偏振器［15-16］、新型完美吸收器［17-20］、具有無相差成像能力的平面透鏡［21-22］等。基于超材料，特別是平面超材料的光學元件，可以極大地減小傳統(tǒng)光學元件的體積和重量，從而更加有利于小型化和集成化。同時，通過改變超材料結(jié)構(gòu)單元的尺寸，可以使其工作在不同的波段。這在一些傳統(tǒng)光學元件比較缺乏的光學頻段(如中遠紅外或者太赫茲波段)具有尤為重要的價值。

可調(diào)超材料的發(fā)展對于超材料的應(yīng)用有著重要的意義［1，14］?？烧{(diào)超材料可以通過施加外部信號(如電場、磁場、激光輻射等)改變超材料的電磁學性質(zhì)。這一方面可以改變和擴展超材料的工作頻段;另一方面，則為調(diào)制器等各種主動光子器件的開發(fā)提供了可能。因此，人們在可調(diào)超材料的研究方面付出了很多努力，并且取得了很大的進展。在可調(diào)超材料的類型方面，人們設(shè)計了基于可變電容的微波段可調(diào)超材料［23-24］、基于MEMS工藝的機械可重構(gòu)超材料［25-29］和基于活性媒質(zhì)的混合結(jié)構(gòu)超材料［30-33］等。從調(diào)制方式來說，有熱調(diào)制、電調(diào)制、磁場調(diào)制和光調(diào)制等。從被調(diào)制的電磁波特性來說，有振幅調(diào)制、共振頻率調(diào)制、相位調(diào)制等。

可調(diào)超材料在各個波段都有重要的研究價值。本文主要論述太赫茲和光學波段可調(diào)超材料的發(fā)展情況。本文在介紹不同類型可調(diào)太赫茲和光學超材料的工作原理的同時，著重從應(yīng)用的角度進行一些討論，并對其未來的發(fā)展趨勢進行分析。關(guān)于可調(diào)超材料，已經(jīng)有一些綜述性的文獻，如N.Zheludev等人的“From metamaterials to metadevices”［14］，A.Liu 等人 的“Micromachined tunable metamaterials:a review”［25］，A.Boardman等人的“Active and tunable metamaterials”［34］等。這些文獻論述的角度和范圍各有側(cè)重，本文與這些文獻相互補充，為讀者了解可調(diào)光學與太赫茲超材料提供了一個更全面的視野。

2 可調(diào)超材料的基本工作原理

超材料通常由亞波長的共振結(jié)構(gòu)單元組成。盡管包括陶瓷［35-36］、高折射率半導體［37-38］在內(nèi)的介質(zhì)材料等都被用做制作超材料的基質(zhì)，但大多數(shù)超材料的結(jié)構(gòu)單元都是由金、銀等貴金屬構(gòu)成。為了實現(xiàn)特定的電磁學性能，人們提出了多種超材料結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計方案，如金屬開裂環(huán)［39］、不對稱開裂環(huán)［40］、漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)［41］以及它們的互補結(jié)構(gòu)等。超材料共振單元的電磁特性可以用多種模型來描述，其中LC等效電路模型可以較好地描述超材料的共振特性，尤其是微波金屬開裂環(huán)結(jié)構(gòu)［42-43］。在該模型中，每個超材料結(jié)構(gòu)單元都有一個分布電感L和一個分布電容C，超材料結(jié)構(gòu)單元的共振頻率f∝(LC)-1/2。因此，如果能夠通過一個外部信號改變超材料結(jié)構(gòu)單元的電容或者電感，就可以改變其共振特性［44-45］。一種典型的可調(diào)微波超材料設(shè)計方法是在每個構(gòu)成超材料結(jié)構(gòu)單元的開裂環(huán)上加上一個具有可變電容的二極管(圖 1(a))［24，46］。通過改變二極管的電容，結(jié)構(gòu)單元和超材料的共振頻率也會隨之改變。這種類型的可調(diào)超材料，主要適用于微波波段。

圖1 可調(diào)超材料Fig.1 Tunable metamaterials

通過改變超材料的幾何結(jié)構(gòu)，即構(gòu)成超材料的共振單元的形狀、大小等，或者結(jié)構(gòu)單元之間的空間相對位置，同樣可以對超材料的性質(zhì)進行調(diào)控。前者主要使得每個結(jié)構(gòu)單元的共振波長發(fā)生改變，后者則改變了結(jié)構(gòu)單元之間的近場相互作用。如圖1(b)所示，當不同層的結(jié)構(gòu)單元位置發(fā)生水平方向相對運動時，超材料的共振頻率會發(fā)生改變［47］?；谶@種原理的可調(diào)超材料被稱為可重構(gòu)超材料。

當超材料的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化時，通過改變制作超材料的基質(zhì)的電磁性質(zhì)，也會使得超材料的電磁特性發(fā)生改變。但通常很難有效地對金、銀等金屬材料的電磁或者光學性質(zhì)進行調(diào)控。幸運的是，超材料的電磁特性同樣依賴于周圍媒質(zhì)的性質(zhì)。通過將超材料與液晶、半導體、相變化材料等具有可調(diào)光學性質(zhì)的活性媒質(zhì)結(jié)合在一起，就可以極為有效地實現(xiàn)對超材料光學特性的控制(圖1(c))。如圖2所示，當基底的折射率發(fā)生改變時，光學超材料的光譜會發(fā)生改變。進一步的分析表明，共振波長與周圍媒質(zhì)的有效折射率，其中ns為基底折射率，1為空氣的折射率)存在近似的線性關(guān)系。這是因為，超材料的共振波長主要是由光在周圍媒質(zhì)中的波長決定的。周圍媒質(zhì)的折射率增加時，光在媒質(zhì)中的波長會變短。若要保持媒質(zhì)中的波長不變，自由空間光波長會隨著折射率的增加而線性增加?；旌辖Y(jié)構(gòu)超材料將超材料的共振特性和獨特光學性質(zhì)與活性媒質(zhì)的可調(diào)光學性質(zhì)結(jié)合在一起，因而只需要亞波長甚至深亞波長的結(jié)構(gòu)尺度，就可以實現(xiàn)對光場的有效調(diào)控。

圖2 超材料電磁特性對周圍媒質(zhì)的依賴性Fig.2 Dependence of metamaterials'optical properties on the refractive index of surrounding media

3 可調(diào)太赫茲與光學超材料研究進展

3.1 機械可重構(gòu)超材料

機械可重構(gòu)超材料需要將可形變或者可重構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)與超材料融合起來。如圖3(a)所示，H.Tao等人利用表面微機械工藝設(shè)計制作了一種熱控的可重構(gòu)太赫茲超材料［48］。它由自由懸空的平面開裂環(huán)共振器陣列構(gòu)成，這些開裂環(huán)結(jié)構(gòu)的支撐基底與由兩種不同材料構(gòu)成的懸梁臂相連接。由于兩種材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，通過施加一個熱信號(升溫或者制冷)，可以使得開裂環(huán)陣列隨同懸梁臂一起朝平面外彎曲，從而改變超材料的電磁場共振特性及透反譜，實現(xiàn)對超材料的調(diào)控。但溫度控制的動態(tài)響應(yīng)速度比較慢，工作環(huán)境也受到很大限制(易受外界溫度影響)，因而人們開始轉(zhuǎn)向?qū)﹄姍C械可重構(gòu)超材料的研究。

圖3 機械可重構(gòu)太赫茲與光學超材料Fig.3 Reconfigurable THz and optical metamaterials

微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)為機械可重構(gòu)超材料提供了一個理想的平臺。MEMS技術(shù)在制作和驅(qū)動微機械系統(tǒng)方面已經(jīng)成為一門非常成熟的技術(shù)。圖3(b)是Y.H.Fu等人制作的基于MEMS工藝的可重構(gòu)太赫茲超材料［49］。通過微機械驅(qū)動裝置連續(xù)控制超材料結(jié)構(gòu)單元中兩個非對稱開裂環(huán)之間的距離，實現(xiàn)了共振頻率高達31%的連續(xù)調(diào)制?；贛EMS技術(shù)的機械可調(diào)太赫茲超材料具有良好的工作性能。然而，在紅外和可見光波段，實現(xiàn)更高速度的調(diào)制，則需要對傳統(tǒng)的MEMS技術(shù)進行改進。為此，J-Y Ou等人提出了一種基于納米機電(NEMS)技術(shù)的可重構(gòu)光子超材料［28］。這種超材料是在厚度只有幾十納米的懸空氮化硅薄膜窗口上制作的(見圖3(c))。超材料的金屬共振單元由懸空的氮化硅懸梁臂支撐，每兩個相鄰懸梁臂之間是電絕緣的。當相鄰懸梁臂上被施加不同電壓之后，相互之間就會產(chǎn)生靜電力，懸梁臂連同上面的金屬納米結(jié)構(gòu)在靜電力和機械彈性恢復力的相互作用下運動。通過控制電壓大小，可以對相鄰懸梁臂的間距進行控制，從而改變懸梁臂上金屬結(jié)構(gòu)之間的近場耦合及超材料的光學性質(zhì)。實驗表明，這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)兆赫茲以上的調(diào)制帶寬。其估計的功耗僅為微瓦量級。理論分析表明，減小重構(gòu)單元的尺寸或者使用更加堅固的材料能夠進一步提高調(diào)制頻率。如果能夠使單個結(jié)構(gòu)單元獨立運動，這種類型的可重構(gòu)超材料連續(xù)調(diào)制帶寬有可能達到GHz以上。目前，這種類型的超材料的動態(tài)調(diào)制信號對比度以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性還有待進一步提高。這一方面需要改進超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計，另一方面需要提高加工工藝的水平。

與以上微機械工藝相比，基于可伸展柔性基底的可重構(gòu)超材料則提供了一種十分簡單有效的調(diào)制手段［50］。圖3(d)就是基于這一方法設(shè)計的一種可調(diào)太赫茲超材料［51］。當基底被拉伸或者收縮時，依附在基底上面的超材料共振單元也一同被拉伸或者收縮。此時，結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)單元之間的間隙會發(fā)生變化，由此引發(fā)近場耦合特性的變化及其光學性質(zhì)的改變。利用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)等柔性聚合物薄膜作為基底，人們設(shè)計制作了具有較好調(diào)制特性的太赫茲及光波段可重構(gòu)超材料［52-54］。這種超材料的一個不足之處是多次調(diào)制之后柔性基底容易疲勞和老化，使得彈性恢復性能變差。

3.2 基于電光媒質(zhì)的混合結(jié)構(gòu)可調(diào)超材料

利用電信號實現(xiàn)對光的動態(tài)調(diào)制具有重要的應(yīng)用價值。在光學領(lǐng)域，電光材料得到了廣泛的應(yīng)用。將電光材料與超材料結(jié)合，為電可調(diào)超材料的實現(xiàn)提供了一個很好的途徑。半導體材料是最早用于實現(xiàn)電控可調(diào)超材料的活性媒質(zhì)。在半導體技術(shù)中，通過控制半導體的載流子濃度，可以控制半導體的電子學性能。同樣的方式也可以用來改變其電磁波和光學特性。2005年，W.J.Padilla等人在本征砷化鎵(GaAs)基底上制作平面開裂環(huán)陣列，通過實驗首次證明利用砷化鎵基底中的光激發(fā)自由載流子，可以在太赫茲波段實現(xiàn)對平面超材料光學特性的動態(tài)調(diào)制［55］。隨后，H.T.Chen等人以摻雜的砷化鎵為基底，在金屬平面超材料與基底之間形成了一個有效的肖特基二極管，通過控制柵電壓來控制金屬開裂環(huán)共振單元底部載流子的注入與耗盡，首次實現(xiàn)了對太赫茲平面超材料透射率的實時動態(tài)電調(diào)制(見圖4(a))［30］。在室溫下，當柵壓為 16 V 時，在0.72 THz透射率的相對強度改變達到50%。該器件的最大調(diào)制頻率約為幾千赫茲，其帶寬主要受到器件較大寄生電容的限制。通過適當?shù)某牧辖Y(jié)構(gòu)設(shè)計，類似的器件還可以實現(xiàn)對超材料共振頻率［56］和透射相位的動態(tài)調(diào)控［57］。同時，基于半導體材料的電可調(diào)超材料也可以用于紅外波段［58-59］。最近，Y.C.Jun等人證明，可以利用電調(diào)控的方法，在中紅外波段實現(xiàn)對平面超材料共振與半導體納米層的介電常數(shù)接近零(epsilon-nearzero)模式之間耦合的動態(tài)調(diào)制(如圖4(b))［60］。這種新型的主動可調(diào)混合超材料器件很可能在新物理現(xiàn)象的探索和中紅外器件開發(fā)方面有很好的研究意義。

另外一種常見的電光材料是液晶。液晶的光學性質(zhì)與其分子排列方式有關(guān)。通過外部電壓、磁場或者溫度控制可以改變液晶分子的取向，可以使其特定方向的折射率發(fā)生超過10%的顯著變化。液晶適應(yīng)的電磁波頻譜范圍極廣，幾乎可以用于從微波、太赫茲到紅外和可見光的所有波段，因此液晶是實現(xiàn)混合結(jié)構(gòu)電光可調(diào)超材料的一種非常理想的材料。Q.Zhao等人設(shè)計了一種工作在微波段的可調(diào)超材料，是最早實現(xiàn)的液晶超材料之一。實驗證明，通過施加直流電場，可以使這種超材料在11 GHz附近的共振頻率發(fā)生約210 MHz的移動［33］。類似的，利用磁場也可以實現(xiàn)對微波段液晶超材料的調(diào)控［61］。液晶超材料在太赫茲和光學波段有著更為重要的應(yīng)用價值。最近，人們利用液晶材料設(shè)計和制作了太赫茲強度與相位可調(diào)超材料［62］、太赫茲可調(diào)超材料完美吸收器(見圖 4c)［63］及近紅外可調(diào)超材料［64］等可調(diào)超材料。值得一提的是，盡管關(guān)于液晶可調(diào)超材料的絕大多數(shù)研究都關(guān)注于液晶的電光調(diào)制特性，液晶巨大的非線性光學響應(yīng)最近也被用于非線性光學超材料［65］。當然，液晶材料也存在自身的一些缺點和不足，如對溫度較為敏感，工作環(huán)境受到一定限制。同時液晶調(diào)制器的電光響應(yīng)時間通常只有毫秒量級，相比于半導體材料而言要慢得多。這也使得基于液晶的可調(diào)超材料更可能在工作環(huán)境不是特別苛刻以及調(diào)制速率在KHz以下的場合得到應(yīng)用。

圖4 電可調(diào)超材料Fig.4 Electrically tunable metamaterials

3.3 相變化超材料

用半導體和液晶作為活性媒質(zhì)實現(xiàn)的可調(diào)超材料，只有當外加調(diào)制信號存在時，超材料的光學特性才會發(fā)生改變。一旦調(diào)制信號消除，超材料就會恢復到原來的狀態(tài)。在很多應(yīng)用場合，人們希望超材料能夠在外在信號解除之后，依然能夠?qū)⑵浼ぐl(fā)的改變保留下來，這就需要一種具有記憶功能的活性材料，或者說非易失性可調(diào)材料。相變化材料正好能夠滿足這一要求。

相變化材料通常具有兩種或者多種穩(wěn)定存在的狀態(tài)或者亞穩(wěn)態(tài)，并且可以在一定條件下在不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)化。這幾種狀態(tài)的化學組成相同，但其原子或者分子排列卻不一樣，因而其物理性質(zhì)(如光學特性)會有很大的不同。在表面等離子體和光學超材料中，常用的相變化材料有金屬鎵(Gallium)、二氧化釩(VO2)、硫系玻璃(chalcogenide glass)等。圖5(a)是以VO2作為基底的一種太赫茲相變化超材料［66］。VO2加熱時可以發(fā)生絕緣體-金屬相變，其相變過程存在滯后現(xiàn)象和記憶效果，也就是說從絕緣體到金屬的相變所需要的溫度Tm和從金屬到絕緣體的相變溫度Ti是不一樣的。在適當?shù)臏囟?，電流脈沖產(chǎn)生的熱效應(yīng)使VO2基底發(fā)生相變后，會使超材料的共振頻率發(fā)生改變，最高可達20%以上。即便脈沖消失，這種改變也會繼續(xù)維持，除非對溫度進行復位操作。

圖5 相變化超材料Fig.5 Phase change metamaterials

以VO2作為活性媒質(zhì)的相變化超材料也可以工作在紅外波段［67-68］。然而，VO2在光學波段的吸收損耗較大，以VO2作為活性媒質(zhì)的光學超材料透射率較低。另外，VO2的相變溫度不夠高，需要對周圍環(huán)境進行溫度控制，且兩個相變點的溫度Tm和Ti差別很小。從應(yīng)用的角度來說，需要尋找一種易于生產(chǎn)和加工，且具有良好的穩(wěn)定性和優(yōu)越的可調(diào)光學性質(zhì)的相變化材料。2010年，Z.L.Sámson 等人將一層無定形態(tài)的鎵-鑭-硫(GLS)玻璃濺射到平面超材料上，通過電流脈沖使GLS從無定形態(tài)相變到結(jié)晶態(tài)，使超材料的共振波長在近紅外波段實現(xiàn)了150 nm的移動。整個結(jié)構(gòu)厚度只有370 nm，而透射率的最大調(diào)制對比度可以到達 4∶1［69］。最近，B.Gholipour等人以另一種代表性的硫系玻璃Ge2Sb2Te5(即GST)為活性材料，成功在通信波長和中紅外波段證明了一種可實現(xiàn)全光、雙向、非易失性調(diào)制的相變化光學超材料［31］。這種超材料的結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示，其中 GST為相變化層，ZnS/SiO2和 SiO2分別作為緩沖層和覆蓋層對結(jié)構(gòu)進行保護并使其能夠更好的在光照下發(fā)生相變。如圖5(c)，當一個峰值功率較低的寬光脈沖照射在GST超材料上時，可以使GST從低折射率的無定形態(tài)變化到高折射率的結(jié)晶態(tài)，超材料的光譜也隨之發(fā)生紅移。而一個峰值功率高的窄脈沖則可以使其從結(jié)晶態(tài)變化到非定形態(tài)。硫系玻璃的物理特性可以通過控制組成元素的相對成分及制作工藝進行設(shè)計，穩(wěn)定性極好，且具有優(yōu)越的電子學和光學特性，無論在信息存儲還是光子學領(lǐng)域都具有很大的應(yīng)用潛力［70］?；诹蛳挡ＡУ南嘧兓鈱W超材料的研究對于超材料從實驗室走向應(yīng)用具有重要的意義。然而，由于硫系玻璃的相變化溫度較高，局部溫度甚至可能超過金的熔點，使得相變化過程中超材料結(jié)構(gòu)容易被破壞。目前基于GST等硫系玻璃的相變化光學超材料可承受的相變化次數(shù)還難以到達實用的要求。要在保持其信號對比度的情況下提高其穩(wěn)定性和耐高溫性，需要進一步優(yōu)化超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計并根據(jù)需要選擇合適的相變化材料及相變溫度。同時，在中遠紅外波段，可以探索用鉬、鈦等耐高溫的金屬材料來替代金、銀等貴金屬，用于制作超材料。

3.4 非線性及超快全光可調(diào)光學超材料

在光學通信和全光信號處理中，超快全關(guān)調(diào)制具有重要的地位。超快全光調(diào)制通常利用材料的光學非線性。然而，傳統(tǒng)光學材料的非線性效應(yīng)往往較低，因此要求的泵浦光強度很高，并且需要較厚的非線性材料來增強作用距離。光學超材料可以有效地增強光與物質(zhì)的相互作用，實現(xiàn)在較低光學強度下的非線性光學調(diào)制［32，71-73］。

非線性光學超材料主要分為兩種類型。一種是利用制作超材料的物質(zhì)，通常為金、銀、鋁等金屬本身的光學非線性。這些金屬材料可以支持表面等離子激元，被加工成納米結(jié)構(gòu)光學超材料后，在外在光場作用下，會激發(fā)表面等離子體激元共振，使得局部光場強度得到大幅增強［74］。由此可以在相對較弱的光強下產(chǎn)生顯著的非線性效應(yīng)。圖6(a)是利用金納米柱形成的非線性光學超材料［71］。這種亞波長厚度的超材料在10 GW/cm2的泵浦光強下，就可以實現(xiàn)80%的透射率變化。圖6(b)則是在一個納米厚度金膜上加工非對稱開裂環(huán)結(jié)構(gòu)形成的一種平面光學超材料［75］。這種結(jié)構(gòu)可以支持所謂的Fano共振，將光場能量局域在納米尺度的范圍內(nèi)，有效地增強光學非線性［76］。實驗研究表明，在約890 nm的共振波長附近，與沒有做納米結(jié)構(gòu)的金相比，這種光學超材料的非線性被增強了約300倍。由于金屬材料具有很快的非線性響應(yīng)，利用金屬本身非線性的可調(diào)光學超材料可以實現(xiàn)THz的開關(guān)頻率。

圖6 非線性及全光可調(diào)光學超材料Fig.6 Nonlinear and ultrafast all-optically tunable photonic metamaterials

第二種是混合結(jié)構(gòu)全光可調(diào)光學超材料。如果將具有超快光學可調(diào)特性的材料與光學超材料相結(jié)合，形成的混合結(jié)構(gòu)則可以實現(xiàn)更強的超快光學反應(yīng)。2009年，K.M.Dani等人報導了一種具有亞皮秒光學調(diào)制速度的漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)光學超材料［77］。在兩層金屬中間有一層納米厚度的非定形硅。利用硅的光激發(fā)載流子效應(yīng)，可以改變硅的光學折射率。這里，光學超材料一方面可以提高硅對于泵浦光的吸收，使光生載流子效應(yīng)增強。另一方面將硅折射率的變化轉(zhuǎn)變成超材料共振光譜的改變，使共振波長附近透射率發(fā)生顯著變化。類似的，圖6(c)則是將氧化銦錫(Indium tin oxide，ITO)與能夠支持等離子體激元誘導透明(plasmon induced transparency)的光學超材料結(jié)合。Y.Zhu等人的實驗表明，這種非線性混合結(jié)構(gòu)超材料的閾值泵浦強度僅為0.1 MW/cm2，反應(yīng)時間為51 ps。泵浦光作用下，在通信波長附近，透明窗口的中心波長平移達到86 nm［73］。通過混合結(jié)構(gòu)的方法，碳納米管(如圖6(d))［32］以及下面將要提到的石墨烯［78］等材料也都可以被用于超快全光可調(diào)光學超材料。

3.5 光機械超材料

與傳統(tǒng)非線性光學現(xiàn)象需要依賴非線性光學材料不同，基于光機械誘導的非線性現(xiàn)象不僅不需要依靠材料的非線性，而且為弱光非線性現(xiàn)象的實現(xiàn)提供了一條途徑。光機械誘導非線性現(xiàn)象是通過光學力(包括光學梯度力和散射光學力)引起光機械系統(tǒng)發(fā)生幾何形變，從而改變光學性質(zhì)。在微納光機械系統(tǒng)中，通過光學微腔、諧振子、亞波長波導等可以有效地增強光學力，產(chǎn)生光機械誘導非線性現(xiàn)象［79-81］。

光學超材料為光機械學的研究提供了一個新的舞臺。研究表明，光學超材料可以有效增強近場光學力［82-85］。如果能夠?qū)⒐鈱W超材料與彈性材料或者可形變的機械結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，就有可能利用光學力作為驅(qū)動力，實現(xiàn)超材料中的光機械誘導非線現(xiàn)象［86］。2011年，M.Lapine等人通過將磁性超材料與彈性介質(zhì)結(jié)合，設(shè)計了一種可形變的微波超材料［87-88］。如圖7(a)所示，這種超材料在外部電磁波作用下，會激勵磁共振模式，同時在兩層平行開裂環(huán)之間產(chǎn)生近場共振電磁力，使其相互吸引或者排斥，進而使彈性材料被壓縮或者拉伸。由于電磁力誘導的彈性-電磁相互作用可以引發(fā)顯著的非線性效應(yīng)并產(chǎn)生電磁雙穩(wěn)態(tài)等非線性現(xiàn)象。這種超材料被稱之為磁彈性超材料(Magnetoelastic Metamaterials)。最近，A.Slobozhanyuk等人利用柔性的螺旋結(jié)構(gòu)，通過實驗實現(xiàn)了這樣一種非線性超材料［89］。

圖7 光機械超材料Fig.7 Optomechanical metamaterials

在光學波段，超材料的結(jié)構(gòu)尺度要比微波波段小得多，共振單元間的光學力通常只有nN甚至pN量級。為了將這種近場光學力有效的轉(zhuǎn)化為超材料重構(gòu)的驅(qū)動力，需要將微納機械結(jié)構(gòu)與光學超材料有機融合在一起。機械可重構(gòu)光學超材料的發(fā)展［26，28］為這種融合提供了可能。最近，J.Zhang等人提出了光機械超材料(“Optomechanical metamaterials”)的概念［90］。如圖 7(b)所示，這種超材料采用非對稱的高折射率介質(zhì)納米粒子對作為共振結(jié)構(gòu)單元。光學共振結(jié)構(gòu)與可形變的納米氮化硅懸梁臂結(jié)合在一起。在入射光場作用下，介質(zhì)超材料可以激發(fā)高Q值的Fano共振，產(chǎn)生強的近場共振光學力并使納米機械臂發(fā)生形變，進而引起光學性質(zhì)的改變。數(shù)值計算表明，這種超材料在小于0.2 mW/μm2的光強下，就可以產(chǎn)生光學雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。不僅如此，由于這種超材料在垂直其平面的方向具有非對稱性，因而對于沿前向和后向入射的光，其透射消光比可以到達30 dB以上。這種巨大的非線性非對稱傳輸現(xiàn)象有可能為光隔離器的設(shè)計提供一種新的方案［91-93］。當然，相比于非線性材料的非線性，光機械誘導非線性的響應(yīng)速度要慢一些。提高材料的勁度可以使工作頻率有所提高，但這卻會使非線性系數(shù)降低。光機械誘導非線性在全光邏輯器件等高速應(yīng)用的方面沒有優(yōu)勢。但是其高的非線性系數(shù)，以及可以使用不具有非線性的光學材料，使得其在自適應(yīng)光學元件等新型光學功能器件的開發(fā)方面具有一定的潛力。

3.6 石墨烯可調(diào)超材料

近年來，石墨烯作為一種“神奇材料”吸引了物理、化學、材料等眾多領(lǐng)域?qū)W者的研究興趣［94］。石墨烯最重要的性質(zhì)之一，就是具有可調(diào)的電子學和光學性質(zhì)。它可以被視為一種無禁帶半導體，通過化學或者靜電摻雜等方式，可以有效地改變石墨烯的載流子濃度和費米能級［95］。人們很快就意識到，石墨烯的電光可調(diào)光學特性可以被用于高速可調(diào)光學器件［96］。

石墨烯在可調(diào)太赫茲與光學超材料研究中同樣有重要應(yīng)用。圖8(a)是單層石墨烯鋪在一個金屬平面超材料上的掃描電子顯微鏡圖［97］。N.Papasimakis等人研究表明，盡管石墨烯厚度不到1 nm，但卻可以使超材料光學性質(zhì)發(fā)生明顯的變化。其中在共振波長附近，有石墨烯和沒有石墨烯時透射率的相對改變超過250%。如果能夠通過靜電摻雜控制石墨烯的費米能級，就可以實現(xiàn)對超材料光學特性的電光調(diào)制。圖8(b)是一個集成在印刷電路板上的可調(diào)石墨烯太赫茲平面超材料［98］。在這一混合結(jié)構(gòu)中，通過柵壓可以控制與超材料相鄰的石墨烯的費米能級。超材料的共振特性使得石墨烯的光學性質(zhì)改變被極大的放大。盡管單層石墨烯的厚度不到波長的百萬分之一，通過與超材料結(jié)合，實驗得到的透射振幅調(diào)制卻可以達到47%，而相位的最大調(diào)制可以達到32.2°。基于同樣的原理，石墨烯混合結(jié)構(gòu)可調(diào)光學超材料也可以被用于紅外乃至可見光波段。圖8(c)是一個加載有一層石墨烯的金屬表面等離子體激元天線陣列［99］。通過柵壓控制石墨烯的費米能級，可以調(diào)控整個結(jié)構(gòu)的光學損耗和共振特性。Y.Yao等人利用類似的結(jié)構(gòu)，通過施加電壓在中紅外波段實現(xiàn)了對等離子激元天線陣列共振波長和振幅的調(diào)制。其中共振波長的調(diào)制幅度達到 650 nm(約 10%)［100］。

圖8 基于石墨烯的可調(diào)太赫茲及光學超材料Fig.8 Tunable THz and optical metamaterials based on graphene

石墨烯另外一個引入注目的光學特性，就是可以支持中遠紅外和太赫茲波段的表面等離子體激元［101-104］。石墨烯表面等離子體激元可以極大地增強光與石墨烯之間的相互作用，并且其波長遠遠小于相同頻率電磁波在自由空間的波長［105-106］。因此，與金銀等金屬一樣，通過制作一些亞波長結(jié)構(gòu)，石墨烯本身便可以被加工成紅外和太赫茲波段超材料［107-108］。通過靜電摻雜等方式，可以控制石墨烯表面等離子體激元特性。如圖8(d)所示，L.Ju等人將石墨烯加工成光柵形結(jié)構(gòu)之后，證明其在室溫下可以產(chǎn)生太赫茲等離子激元共振［109］。改變微條帶的寬度或者利用靜電摻雜都可以在很寬的太赫茲頻率范圍內(nèi)改變共振峰的位置。石墨烯超材料可以用于實現(xiàn)中紅外到太赫茲頻率范圍內(nèi)的可調(diào)完美吸收器、偏振器、濾波器等光學元器件［107，110-111］。

4 發(fā)展趨勢與應(yīng)用前景

4.1 可調(diào)超材料發(fā)展趨勢

盡管可調(diào)太赫茲與光學超材料研究取得了很多成果，但其在光學性能和調(diào)制性能的諸多方面仍然有待進一步的提高，如調(diào)制幅度和調(diào)制速率、調(diào)制的可重復性、調(diào)制所需的功率消耗、超材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和持久性等。接下來的研究中，人們一方面將對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝進行進一步的改進和優(yōu)化，另一方面將繼續(xù)探索實現(xiàn)可調(diào)超材料的新機理、新方法和新材料等。在未來的發(fā)展中，以下幾個方面將值得關(guān)注:

首先，可調(diào)超材料的功能將得到進一步的拓展，調(diào)制自由度和靈活性將得到進一步的提高。例如，在雷達和通信技術(shù)中，相控陣天線是一種極為重要的器件。如果能夠像相控陣天線一樣，對超材料的單個單元進行控制，無疑會使超材料器件的功能得到很大的提高。在微波和太赫茲波段，具有單元獨立調(diào)控能力的可編程超材料研究取得了一些進展［112-113］。而目前的可調(diào)光學超材料，基本上都是對整個結(jié)構(gòu)單元陣列一起進行調(diào)制。實現(xiàn)具有單元調(diào)控能力的可編程光學超材料將是一個頗具挑戰(zhàn)性的目標，而類似的太赫茲和光學器件在光束控制、波前調(diào)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［114-115］。

其次，可調(diào)超材料的研究，將從原理驗證進一步走向功能器件開發(fā)和應(yīng)用。從應(yīng)用的角度來說，平面結(jié)構(gòu)超材料相對于三維結(jié)構(gòu)超材料而言易于加工、傳輸損耗相對較小、易于集成，并且在對光波的振幅、偏振及相位控制方面能夠?qū)崿F(xiàn)很多功能，因而基于平面結(jié)構(gòu)或者多層平面結(jié)構(gòu)的可調(diào)光學超材料依然是研究的重點。特別值得指出的是，金屬微納結(jié)構(gòu)超表面的研究最近引起了很大的關(guān)注［13］，并且已經(jīng)發(fā)展出了一些基于超表面的功能器件，如無像差平面透鏡［21-22］、表面波與自由空間波耦合器［116-118］、偏振轉(zhuǎn)換器［119］等?？烧{(diào)光學超表面將是一個非常有意義的研究方向?；旌辖Y(jié)構(gòu)可調(diào)光學超材料在可調(diào)超材料中具有重要地位，而活性媒質(zhì)的選擇對其發(fā)展具有關(guān)鍵作用。理想的活性媒質(zhì)不但應(yīng)該具有良好的可調(diào)光學特性和穩(wěn)定性，而且應(yīng)該適用于較大規(guī)模的生產(chǎn)和加工。半導體材料、液晶及硫系玻璃在工業(yè)和生活中已經(jīng)得到了廣泛運用，基于這些材料的可調(diào)光學超材料將會得到進一步的關(guān)注和發(fā)展，而且很可能率先走向?qū)嶋H應(yīng)用。

最后，新現(xiàn)象、新機理的探索以及新材料的應(yīng)用依然是可調(diào)超材料研究中的重要課題。以光機械超材料為例，這種新型可調(diào)光學超材料在物理現(xiàn)象、機理和應(yīng)用研究方面都還有很多值得探索的課題。從實驗上對這些超材料概念進行驗證將是接下來值得關(guān)注的課題。新的活性材料，特別是以石墨烯、拓撲絕緣體為代表的新穎材料，在可調(diào)光學與太赫茲超材料中的應(yīng)用是非常有趣的研究課題。其中石墨烯是目前物理學和材料學研究的熱點，具有很多獨特的光學和光電子學特性［105，120-123］。基于石墨烯表面等離子體激元及其電光可調(diào)特性的可調(diào)太赫茲與光學超材料是目前及接下來的研究熱點。同時，以石墨烯為活性媒質(zhì)的石墨烯/金屬超材料(或者石墨烯/金屬超平面)混合結(jié)構(gòu)也將在可調(diào)太赫茲與光學超材料研究中占有重要地位。

4.2 可調(diào)太赫茲與光學超材料的應(yīng)用前景

可調(diào)太赫茲與光學超材料研究具有很強的應(yīng)用背景。從最早的主動太赫茲調(diào)制器［30］到最新的可調(diào)太赫茲完美吸收器［63］和兆赫茲帶寬近紅外電光調(diào)制器［28］，可調(diào)超材料在電光調(diào)制器、可調(diào)濾波器、多色譜紅外焦平面探測器、可調(diào)平面透鏡及非線性和自適應(yīng)光學元件等光子功能器件的開發(fā)方面展現(xiàn)出很大的潛力?；诳烧{(diào)光學超材料的新型平面光學元件，不僅可以實現(xiàn)一些傳統(tǒng)光學元件難以實現(xiàn)的功能，而且具有厚度超薄、質(zhì)量輕、體積小的優(yōu)點，有利于實現(xiàn)光子器件的小型化和集成化。

可調(diào)光學超材料在太赫茲和紅外波段可能率先得到應(yīng)用。在中遠紅外波段，傳統(tǒng)的光學材料選擇范圍有限。紅外光學元件不僅價格昂貴，而且光學性質(zhì)、機械性質(zhì)等還存在諸多不足。太赫茲波段曾經(jīng)被稱為所謂的“太赫茲空白”，雖然近年來太赫茲研究取得了長足的進展，但高性能的太赫茲光學元件還是十分匱乏［124-125］。光學超材料在中遠紅外和太赫茲波段正好大有可為。目前限制光學超材料應(yīng)用的兩個主要因素是加工和損耗。在中遠紅外和太赫茲波段，金屬材料的損耗相對較小，還可以使用半導體材料或者石墨烯等取代金屬材料，而且這一波段的超材料可以使用成熟的光刻技術(shù)進行加工，這為超材料器件的應(yīng)用提供了可能?；诳烧{(diào)光學超材料的中遠紅外和太赫茲器件在通信、醫(yī)療檢測、國防、國土安全、航空航天等領(lǐng)域有可能發(fā)揮重要作用。當然，隨著超材料研究的深入和微納加工工藝的提高，基于可調(diào)光學超材料的近紅外和可見光光學元件，如可調(diào)的平面光學透鏡，也很可能在不久的將來走入我們的生活。

5 結(jié)束語

超材料是過去十多年來物理學研究領(lǐng)域最活躍的課題之一。超材料的一系列物理概念和新穎現(xiàn)象極大地拓展了人們的思維并增進了人們對于電磁學的認識。隨著研究的深入，超材料也逐漸從理論走向應(yīng)用?？烧{(diào)太赫茲和光學超材料可以有效地拓展和增強光與物質(zhì)的相互作用，在新型光學功能器件開發(fā)中具有重要價值。人們已經(jīng)設(shè)計了許多基于可調(diào)太赫茲和光學超材料的功能器件，其中有的器件已經(jīng)達到或者接近實用水平?？烧{(diào)超材料在未來依然會是超材料研究中的熱點課題，并將引起越來越多的關(guān)注。其發(fā)展可能引起一些光學元件和光學系統(tǒng)的變革，對光學和太赫茲技術(shù)的發(fā)展將產(chǎn)生深遠的影響。

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