黃新朝，付全紅，張富利

(西北工業(yè)大學(xué)，西安　710072)

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超表面研究進(jìn)展

黃新朝，付全紅，張富利

(西北工業(yè)大學(xué)，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(jìn)行電磁/光學(xué)波束調(diào)控的新結(jié)構(gòu),其新穎的機(jī)制和靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本文闡明了超表面調(diào)控波束的物理機(jī)理,敘述超表面的發(fā)展歷程,即從實(shí)現(xiàn)超表面到提高有效分量和動(dòng)態(tài)可調(diào)超表面的研究過程,總結(jié)了超表面透鏡、超表面偏振器、表面等離子體激元調(diào)控等功能器件,并對(duì)超表面有待解決的問題以及今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞:超表面;波束調(diào)控;廣義斯涅爾定律;超表面器件

0引言

雷達(dá)作為戰(zhàn)爭(zhēng)之眼，擔(dān)負(fù)著對(duì)敵目標(biāo)預(yù)警、探測(cè)、追蹤、定位等戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，雷達(dá)性能在很大程度上決定了戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)度，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)之一。隨著新形勢(shì)下軍事斗爭(zhēng)形態(tài)的日新月異，雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)新體制、新技術(shù)的開發(fā)需求也日益迫切。傳統(tǒng)的機(jī)載、彈載雷達(dá)采用機(jī)械掃描的方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位，雷達(dá)波束偏轉(zhuǎn)需要機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的輔助。然而，飛機(jī)、導(dǎo)彈等航空武器有限的空間直接制約了雷達(dá)天線掃描視角的范圍，且機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間的消耗也帶來了雷達(dá)天線目標(biāo)搜索時(shí)間過長，跟蹤快速移動(dòng)目標(biāo)困難等問題。另一方面，相控陣?yán)走_(dá)采用隔離器作為移相器可實(shí)現(xiàn)電掃描，具有掃描范圍大、掃描時(shí)間短、定位精確等優(yōu)點(diǎn)，但是，相應(yīng)的相位控制單元的數(shù)量多，體積龐大，無法適應(yīng)航空器特別是彈載雷達(dá)的載重需要，且造價(jià)昂貴，不適宜在消耗量巨大的精確制導(dǎo)武器中應(yīng)用。因此，探索電磁波/光波波束可控的新方法成為了當(dāng)務(wù)之急。

另外，基于人工微結(jié)構(gòu)的電磁超材料由于可以表現(xiàn)出傳統(tǒng)天然材料不具有的電磁/光學(xué)特性如負(fù)折射，及其任意調(diào)控電磁參數(shù)的奇異特性受到電磁、物理及材料等領(lǐng)域?qū)W者的重視。通過人工精巧設(shè)計(jì)的超材料構(gòu)建空間折射率漸變，可以實(shí)現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)[1]。

這種人工變折射率材料依據(jù)結(jié)構(gòu)單元的電磁諧振性質(zhì)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感關(guān)系，建立折射率和幾何參數(shù)的數(shù)值關(guān)系，通過相位累計(jì)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)變折射率器件。但是，由于這種設(shè)計(jì)理念存在出射波振幅難以保持一致、設(shè)計(jì)靈活度差、相位累計(jì)效應(yīng)要求器件體積大等諸多缺點(diǎn)，使得這種人工變折射率材料的發(fā)展進(jìn)入瓶頸期。后來，人們通過探索相位累計(jì)效應(yīng)以外的新機(jī)理實(shí)現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)，超表面便應(yīng)運(yùn)而生。

超表面是一種通過控制波前相位、振幅以及偏振進(jìn)行波束調(diào)控的新結(jié)構(gòu)，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(nèi)產(chǎn)生相位、振幅及偏振突變效應(yīng)的超薄平面光學(xué)元件”，超表面具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

(1) 超表面面對(duì)波前相位作用遠(yuǎn)大于累計(jì)作用；

(2) 滿足亞波長條件，一般基于光學(xué)散射體設(shè)計(jì)；

(3) 單元設(shè)計(jì)靈活，可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)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(tǒng)人工變折射率材料的波束調(diào)控機(jī)理，具有設(shè)計(jì)靈活、物理內(nèi)涵豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)，再次掀起波束調(diào)控的研究熱潮，從而促進(jìn)了超表面各種新穎物理圖像的研究。

1超表面理論基礎(chǔ)

基于廣義斯涅爾定律，超表面利用相位突變的梯度進(jìn)行波束調(diào)控，實(shí)現(xiàn)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(jīng)存在相位突變梯度的超表面時(shí)，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(dǎo)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(jù)費(fèi)馬原理，兩點(diǎn)之間實(shí)際光線的相移取極值。這是一個(gè)泛函極值問題，在特殊情況下，可轉(zhuǎn)化為普通函數(shù)的極值問題。從A點(diǎn)出發(fā)的光線經(jīng)過界面處不同位置D，E到達(dá)B點(diǎn)可以獲得相同相移，即光線經(jīng)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(duì)式(3)等號(hào)右側(cè)變形得到：

(4)

圖2廣義折射定推導(dǎo)示意圖

2超表面實(shí)現(xiàn)反常折(反)射

通過上述分析，可知設(shè)計(jì)具有一定相位突變梯度，即可實(shí)現(xiàn)波束調(diào)控。虞南方等人利用“V”形天線首次實(shí)現(xiàn)超表面設(shè)計(jì)[4]?！癡”形金屬天線中可以激勵(lì)起對(duì)稱和反對(duì)稱兩種本征模式，兩種模式產(chǎn)生的電場(chǎng)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(diào)節(jié)“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(xù)變化，見圖3。虞南方及其合作者首先將其應(yīng)用到中紅外波段，不久后其他研究者又將類似結(jié)構(gòu)應(yīng)用到近紅外波段[5]。

鏡像對(duì)稱的天線激發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)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(zhì)夾層/“金”薄基板三明治結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)帶有線偏振效應(yīng)的完美反常反射[6]如圖4所示。此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈感來自于經(jīng)典的法布里-珀羅干涉儀。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)所示, 結(jié)構(gòu)顯微圖如圖4(b)所示。外場(chǎng)E0沿x方向，激發(fā)出共極化分量px和交叉極化分量py兩種偏振模態(tài)，兩種模態(tài)在介質(zhì)夾層中反復(fù)傳輸(多次反射)，增強(qiáng)py減弱px。交叉極化(垂直于外場(chǎng)偏振方向)和共極化(平行于外場(chǎng)偏振方向)反射率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4(c)所示，在0.8 THz和1.36 THz橫向極化反射率達(dá)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(zhì)夾層/“金”薄基板三明治結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)px分量很弱的特性，在雙層金線光柵夾層中設(shè)計(jì)的相位突變結(jié)構(gòu)，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(dǎo)之間的耦合來實(shí)現(xiàn)高透射率波束偏轉(zhuǎn)的方案[7]如圖5所示。Wei Zeyong等人發(fā)現(xiàn)，在多層金屬薄板的情形下，對(duì)金屬薄板打上外徑相同、內(nèi)徑不同的圓環(huán)孔徑如圖5(a)所示，就能實(shí)現(xiàn)不同折射率。同時(shí)，在孔徑大小遠(yuǎn)小于波長的情形下，電磁波通過金屬-電介質(zhì)多層結(jié)構(gòu)時(shí)如圖5(b)所示，會(huì)發(fā)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(xù)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(chǎn)生很高的透射率，這種局域的諧振決定了該結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，波束能以65%的透射率在10 GHz偏轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(diào)控電磁波，南京大學(xué)Zhu Bo提出利用引入了變?nèi)荻O管的超表面動(dòng)態(tài)調(diào)控波束的方案[11]。該工作巧妙地設(shè)計(jì)了一種具有雙諧振性質(zhì)的超表面單元，可在固定頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)反射相位的360°連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)控，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中相位調(diào)節(jié)范圍不足的問題。運(yùn)用這種技術(shù)可對(duì)超表面每個(gè)單元的相位調(diào)節(jié)性質(zhì)進(jìn)行改變和控制，形成多種形式的相位調(diào)節(jié)方案，為電磁波調(diào)控提供了更加靈活的方法。最近，東南大學(xué)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(jìn)行了提高有效分量、動(dòng)態(tài)可調(diào)超表面的相關(guān)探索，努力提高超表面的可應(yīng)用性，也顯示出能夠應(yīng)用是超表面的基本要求之一?，F(xiàn)今成熟的印刷電路板刻蝕、軟印刷、光刻等技術(shù)能充分保證超表面的制備，再加上超表面靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新穎豐富的物理圖像，超表面雖未被廣泛應(yīng)用，但基于超表面的光學(xué)器件正在被廣泛研究。

3超表面器件設(shè)計(jì)

超表面誕生至今，因其新穎的物理機(jī)制、豐富的物理圖像、靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究者們先后提出了很多新穎的光學(xué)器件，包括平面透鏡、偏振片、吸收器等。

3.1光學(xué)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(duì)波束進(jìn)行調(diào)控，與波束的偏振態(tài)密不可分，所以相關(guān)研究者利用這一特性，通過排布結(jié)構(gòu)單元制成了四分之一波片、線偏振轉(zhuǎn)化器等平面偏振器，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)化[6]等偏振態(tài)轉(zhuǎn)變。

例如，在虞南方利用該結(jié)構(gòu)單元輻射的有用分量(實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)單元，實(shí)現(xiàn)線偏振向圓偏振的轉(zhuǎn)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(gè)具有不同相位突變分布的子單元構(gòu)成(a單元和b單元)，兩個(gè)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(zhuǎn)化條件。

3.3超表面實(shí)現(xiàn)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(wèi)為拓?fù)浜蓴?shù)，每個(gè)光子攜帶軌道角動(dòng)量L=hl，可以應(yīng)用于光學(xué)捕捉[20]、光學(xué)通信[21]、STED熒光顯微鏡等領(lǐng)域[22]。渦旋光可以由空間波調(diào)制器、全息技術(shù)等實(shí)現(xiàn)，但自從超表面誕生后，一些研究者紛紛利用超表面器件產(chǎn)生渦旋光如圖8所示[23-25]，對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)生渦旋光技術(shù)產(chǎn)生沖擊。Patrice等人通過合理排布角向結(jié)構(gòu)單元，控制相位突變量，產(chǎn)生渦旋光[23]。

圖8中，量子級(jí)聯(lián)激光器產(chǎn)生中紅外波段S偏振垂直入射激光，經(jīng)分光器后一束經(jīng)偏振器處理，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°用作相干光，一束由超表面處理，產(chǎn)生等幅渦旋光。此超表面由8種子單元構(gòu)成，在角向可以實(shí)現(xiàn)相位突變0～2π連續(xù)變化。兩束光最終相干疊加，由中紅外攝像儀記錄其強(qiáng)度分布。

圖8超表面實(shí)現(xiàn)渦旋光示意圖

3.4超表面實(shí)現(xiàn)波態(tài)轉(zhuǎn)變

在國內(nèi)，復(fù)旦大學(xué)周磊教授的課題組利用漸變相位突變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了平面波向表面波的轉(zhuǎn)化[26]，該方案使用的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，在入射光的照射下，兩層金屬材料中會(huì)產(chǎn)生反向誘導(dǎo)電流從而形成磁響應(yīng)如圖9(a)所示。單元的尺寸遠(yuǎn)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(xì)調(diào)整金屬條結(jié)構(gòu)使出射波的相位沿x方向線性變化。由于在這種作用機(jī)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(diào)控，故能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的波束偏轉(zhuǎn)甚至變成無法向外輻射的局域表面波。不同尺寸結(jié)構(gòu)單元貢獻(xiàn)不同折射率如圖9(b)所示。超表面實(shí)現(xiàn)反常反射示意圖如圖9(c)所示。入射平面波轉(zhuǎn)化為無輻射表面波如圖9(d)所示。

圖9平面波向表面波轉(zhuǎn)化方案示意圖

3.5超表面調(diào)控表面等離激元

在經(jīng)典光學(xué)中，介質(zhì)對(duì)光的折射、反射、衍射都可以由光的波動(dòng)性解釋，其產(chǎn)生原因均可以歸結(jié)于介質(zhì)振子受外界光波驅(qū)動(dòng)再輻射(散射)光波。對(duì)于超表面的結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)遵循廣義衍射定律的反常衍射，可以應(yīng)用到調(diào)控表面等離激元上(Surface Plasma Polariton, SPPs)。

表面等離激元來源于費(fèi)米面附近導(dǎo)帶電子受外界電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的集體振蕩，這種集體振蕩行為能有效的將電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移為金屬表面電子的集體振動(dòng)能[27-28]。產(chǎn)生表面等離激元的關(guān)鍵即為與外界光子耦合的過程，而光子單向激發(fā)表面等離激元在生物傳感器[29]、非線性光學(xué)[30]、磁光存儲(chǔ)[31]等領(lǐng)域具備重要的應(yīng)用價(jià)值。但是目前常用的棱鏡耦合、周期溝槽耦合、拓?fù)淙毕蓠詈系锐詈戏绞綗o法同時(shí)滿足單向激發(fā)和小尺寸元件兩個(gè)應(yīng)用要求[32]。超表面誕生后，給SPPs耦合調(diào)控帶來了新契機(jī)，一些研究者相繼使用超表面調(diào)控手段實(shí)現(xiàn)了SPPs的單向激發(fā)[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(shí)現(xiàn)超表面相位梯度分布。每個(gè)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(shí)現(xiàn)單向激發(fā)SPPs示意圖

該超表面由矩形開孔金屬薄板和介質(zhì)基板構(gòu)成，垂直入射圓偏振光入射到超表面上發(fā)生相對(duì)法線對(duì)稱的正常衍射(O)和不對(duì)稱的反常衍射(A)，通過合理排布矩形開孔，可以實(shí)現(xiàn)只有一條一級(jí)衍射光束激發(fā)SPPs。

3.6可控超表面器件

在超表面發(fā)展的初始階段，研究者們就利用變?nèi)荻O管探索可控超表面設(shè)計(jì)。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(jù)石墨烯電導(dǎo)率受電場(chǎng)影響的特性，預(yù)言了石墨烯超表面的出現(xiàn)[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(shí)現(xiàn)可控完美吸收。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為電控石墨烯超表面/損耗介質(zhì)夾層/金屬基板三明治結(jié)構(gòu)，厚度小于λ/10，見圖11(a)，可以誘導(dǎo)超表面結(jié)構(gòu)與金屬基板電諧振，通過多次反射把光波囚禁在損耗介質(zhì)中，從而實(shí)現(xiàn)完全吸收[39]。利用石墨烯電導(dǎo)率受電壓調(diào)制得特性，使得此完美吸收器可以在中紅外較寬波段內(nèi)工作。電壓調(diào)控的工作頻點(diǎn)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(yīng)用前景，例如水解器[42]、隱身斗篷[48]等。

4超表面發(fā)展趨勢(shì)

超表面的優(yōu)勢(shì)在于突破傳統(tǒng)塊體超材料的思想束縛，構(gòu)造出各種利用現(xiàn)有技術(shù)更容易制備的結(jié)構(gòu)。它在調(diào)控相位、振幅、偏振及阻抗等方面顯示出優(yōu)越性，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。為了增強(qiáng)對(duì)電磁波的調(diào)控能力，可調(diào)控的超表面也應(yīng)運(yùn)而生?？v觀其發(fā)展歷程，它一直朝著提高應(yīng)用性的方向發(fā)展。超表面脫胎于超材料，雖然只有單層結(jié)構(gòu)，但其基本結(jié)構(gòu)單元一般也用金屬制造，在紅外-可見光波段內(nèi)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(yīng)用。最近全介質(zhì)超材料[43]和超表面[44- 45]均被報(bào)道，顯示出低損耗這一發(fā)展方向。另外，有學(xué)者提出如果可以利用半導(dǎo)體作為結(jié)構(gòu)單元材料制造超表面，使用半導(dǎo)體加工工藝，那么將大幅提高其應(yīng)用性[46]，最近一些研究者也對(duì)此進(jìn)行了初探，實(shí)現(xiàn)了偏振態(tài)調(diào)控和光束匯聚[44, 47]。可以看到，超表面將會(huì)向著低損耗、寬頻段、可調(diào)控、易加工、高透過率等可提高應(yīng)用性的方向發(fā)展。展望未來，這些有益的探索推動(dòng)超表面基礎(chǔ)研究的同時(shí)，必將有力助推新型電磁波束調(diào)控和新型雷達(dá)的發(fā)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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11372248)； 航空科學(xué)基金項(xiàng)目(20120153001)

作者簡(jiǎn)介：黃新朝(1993-)，男，河北滄州人, 碩士研究生，研究方向?yàn)槿斯の⒔Y(jié)構(gòu)的電磁調(diào)控。

中圖分類號(hào):TN95;O441

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1673-5048(2016)01-0028-07