0 引言

    超材料，一種新型的三維周期性人工電磁材料，通常由金屬/介質(zhì)或全介質(zhì)構(gòu)成，在微波、太赫茲波段，由于其比擬波長(zhǎng)的單元結(jié)構(gòu)與電磁波的電場(chǎng)或磁場(chǎng)的共振效應(yīng)，這種操控電磁波的特殊能力在過(guò)去十年中得到了廣泛的研究，如完美吸收器^[1-3]、隱身^[4-6]、散射減少^[7]等。然而，在微納米尺度下，超材料的應(yīng)用由于高損耗和三維制造的困難受到阻礙和限制。超表面是具有亞波長(zhǎng)厚度的二維平面超材料，與三維超材料相比，超表面具有物理尺寸更小、易制造、損耗更低等優(yōu)勢(shì)，因此，在很多應(yīng)用領(lǐng)域下，超表面可以代替更大體積的三維超材料結(jié)構(gòu)。近些年，超表面巨大的應(yīng)用潛力受到全世界研究人員的關(guān)注，包括偏振轉(zhuǎn)換器^[8-9]、平面透鏡^[10]、渦旋相位板^[11]、數(shù)字編碼超表面^[12]和全息成像^[13]等。

    電磁波波前的可調(diào)性在于其相位的調(diào)控，根據(jù)費(fèi)馬原理，電磁波的躍遷是相位沿傳播路徑的積累效應(yīng)。因此，用于控制波前的傳統(tǒng)光學(xué)元件需要空間變化的折射率或其整體幾何形狀的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)相位積累。然而，由于自然材料的介電常數(shù)有限性，通常采用彎曲表面來(lái)實(shí)現(xiàn)(由于其體積大、重量大、設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜)，這已經(jīng)成為現(xiàn)代電光系統(tǒng)集成和小型化需求日益增長(zhǎng)的障礙。因此，在微納米尺度上實(shí)現(xiàn)電磁波的相位控制已成為現(xiàn)代光學(xué)和微納米光學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵。

    梯度超表面指的是一種能夠使入射電磁波與厚度可忽略的周期性元胞陣列產(chǎn)生共振響應(yīng)，并能使其入射波相位發(fā)生突變的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。這種基于相位梯度變化的超表面，可以使得在超表面分界面上的反射波或者透射波的傳播方向發(fā)生異常折射或者偏轉(zhuǎn)。在2011年，哈佛大學(xué)CAPASSO F等人在研究相位不連續(xù)性在對(duì)電磁波的調(diào)控能力上，提出了廣義斯涅爾定律并給出了相應(yīng)的理論推導(dǎo)^[14]，發(fā)表在了《Science》期刊上。早些年，在光波段異常的折射和反射，無(wú)法用傳統(tǒng)的斯涅爾折射反射定律加以解釋。CAPASSO F教授團(tuán)隊(duì)從概念和應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)的斯涅爾定律進(jìn)行擴(kuò)展后，這一擴(kuò)展后的定律不僅對(duì)電磁波的異常出射能夠作出完美的解釋?zhuān)⑶覟殡姶挪úㄇ罢{(diào)控領(lǐng)域提供了新的思維方式，對(duì)電磁波調(diào)控器件和平面太赫茲光學(xué)器件的應(yīng)用開(kāi)辟了一條新的道路。

    本文概述了幾種典型的梯度超表面領(lǐng)域的重要器件，從超表面的相位調(diào)控設(shè)計(jì)方法出發(fā)，總結(jié)了其各自的原理和應(yīng)用，繼而對(duì)下一步超表面的發(fā)展及應(yīng)用展望。

1 原理簡(jiǎn)介

1.1 廣義斯涅耳定律

    2011年，CAPASSO F教授團(tuán)隊(duì)首次在兩種介質(zhì)界面處引入了突變相移，從一維角度出發(fā)，給出了基于費(fèi)馬原理異常折射和反射的推導(dǎo)，提出了廣義的斯涅爾定律^[14]。在兩個(gè)介質(zhì)交界面構(gòu)成的超薄的超表面，它會(huì)給入射波提供線性梯度的相位突變，從而引入與位置相關(guān)的相移Φ(x)，如圖1所示。       

    考慮電磁波入射角度θ_i，兩種異常反射和折射定律可寫(xiě)為：

1.2 Pancharatnam-Berry相位

    超表面的相位或幅值可以基于單元結(jié)構(gòu)的幾何形狀的變化而改變，Pancharatnam-Berry相位(P-B相位)指的是通過(guò)調(diào)整具有相同幾何形狀的單元結(jié)構(gòu)的方向角來(lái)實(shí)現(xiàn)相位控制^[15-16]，如圖2所示。在電磁波正入射下，圓極化波（CP）偏振方向沿微結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向時(shí)，以x軸作為起始軸，當(dāng)微結(jié)構(gòu)以θ旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí)，出射波會(huì)有一個(gè)相位增量(±i·2^θ)，并且該出射波的手性與原入射波的手性相反。因此，這種繞微結(jié)構(gòu)中心旋轉(zhuǎn)的方法能夠有效地滿足2π相移的全覆蓋，該相位調(diào)制方法能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)控。

2 超表面器件與應(yīng)用

2.1 可編程數(shù)字超表面

    現(xiàn)階段對(duì)信息超表面的研究主要包括3類(lèi)，如表1所示。連續(xù)的媒質(zhì)參數(shù)可用來(lái)描述傳統(tǒng)的超表面（模擬超表面），這種宏觀均勻的描述方式不能很好地完全等效。2014年，“編碼超表面”、“可編程超表面”等新穎的概念相繼提出^[12]，崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用數(shù)字化控制的手段，0°相位響應(yīng)的微單元模擬“0”二進(jìn)制數(shù)字態(tài)，而180°對(duì)應(yīng)“1”數(shù)字態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的數(shù)字化調(diào)控。

    相比與傳統(tǒng)的超表面，數(shù)字編碼式超表面在設(shè)計(jì)上具有巨大的優(yōu)勢(shì)，如圖3所示。在電磁波調(diào)控領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作靈活。

2.1.1 各向同性編碼超表面

    超表面在編碼上的調(diào)控與相控陣?yán)碚撓嘟?sup>[12]：對(duì)超表面進(jìn)行單元格劃分(M×M)，表征“0”或“1”的數(shù)字碼填充到每一個(gè)單元格，陣列的方向性系數(shù)可寫(xiě)成：

    目前，二進(jìn)制兩種狀態(tài)的編碼方式在設(shè)計(jì)上最為簡(jiǎn)單，而且多為反射式，由于各向同性超表面偏振不敏感性，在降低散射上應(yīng)用廣泛^[17]。2015年，崔鐵軍教授課題組提出了基于圓環(huán)型結(jié)構(gòu)1-bit反射式編碼超表面^[18]，如圖4(a)所示。圖4(b)展示了在0.4～1.8 THz寬頻帶下，可以實(shí)現(xiàn)編碼“1”和“0”反射相位差近似180°。

    此種1-bit反射式編碼超表面在0.80~1.4 THz的寬頻率范圍內(nèi)，反射率小于-10 dB，且對(duì)入射波的偏振不敏感，在太赫茲波寬頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)空間漫反射，在降低領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

    在太赫茲波段，范圍廣多角度的電磁波束的調(diào)控需要多bit的編碼形式，圖5（a）為一種新穎的方形環(huán)凹口狀結(jié)構(gòu)的2-bit反射式的編碼超表面^[17]，同樣由于結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，能夠使不同極化方向上的入射波向空間各處位置反射，這種多bit編碼方式的多種選擇，能夠有效地分散能量分布，為有效控制太赫茲波漫反射提供有效途徑。

2.1.2 各向異性編碼超表面

    2016年，另外一種各向異性編碼的電磁波調(diào)控方式繼而提出^[19]，不同的偏振方向產(chǎn)生不同的相位分布，即有不同功能的波束調(diào)控模式，如圖6所示。

    微單元由啞鈴型和方片型結(jié)構(gòu)組成，對(duì)于不同的偏振，表面的相位分布呈現(xiàn)方格和光柵條紋排布，x偏振下，入射波反射為四個(gè)對(duì)稱(chēng)外朝向的對(duì)稱(chēng)波束，而在y方向上，反射為兩個(gè)對(duì)稱(chēng)朝外的鉛筆波束^[12，20]。

    此種多bit各向異性編碼超表面在多功能器件上有很好的應(yīng)用前景，雙極化特性可以將波形偏轉(zhuǎn)和分束有效結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的有效控制；在太赫茲波通信領(lǐng)域，多極化調(diào)制的太赫茲波信號(hào)可以增加信息容量，有效提高傳輸通信速率；此外，雙極化圖像編碼在數(shù)字化全息成像領(lǐng)域擁有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2 渦旋波束

    渦旋波束是一種具有環(huán)形剖面強(qiáng)度和螺旋式相位波前并且攜帶軌道角動(dòng)量(OAM)的波束^[21]。θ可用表達(dá)式exp（ilφ）表示，即有相位因子θ=ilφ，其中φ為與傳播方向垂直平面的旋轉(zhuǎn)方位角，拓?fù)潆姾蓴?shù)l為在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)扭轉(zhuǎn)的次數(shù)。軌道角動(dòng)量L可用方程L=lh，h是普朗克常數(shù)。

    在太赫茲波頻率范圍，尺寸的急劇小型化使得傳統(tǒng)的大尺寸階梯型螺旋相位板不再適用；天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性也限制了渦旋波束的應(yīng)用。而在人工電磁超表面旋轉(zhuǎn)方位的剖面上附加共振^[22]或P-B變化的相位^[23]，通過(guò)靈活的調(diào)控相位方式，有效地實(shí)現(xiàn)渦旋波束的產(chǎn)生。

    目前在人工超表面激發(fā)渦旋波束的方式主要分為3類(lèi)，如表2所示。

2.2.1 線極化波激發(fā)渦旋波束

    2011年，哈佛大學(xué)Yu Nanfang和GENEVET P等人在廣義斯涅爾定律基礎(chǔ)上利用V型微結(jié)構(gòu)相位共振特性在超表面上劃分8個(gè)相位差為π/4區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了±1階渦旋波束，發(fā)表在《Science》期刊上^[14]，如圖7所示。之后基于各種結(jié)構(gòu)(包括C型、U型、L型等)的超表面產(chǎn)生渦旋波束的研究得到了迅猛的發(fā)展^[24]。

    V型微結(jié)構(gòu)在線性極化波的激勵(lì)下，可以產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)與非對(duì)稱(chēng)兩種共振模式，如圖8所示。由于兩種共振方式的耦合能夠有效地覆蓋0~2π的相移，有利于電磁波相位調(diào)控。

    此種按照環(huán)形區(qū)域劃分相位的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，易于加工，圖9為多階渦旋波束產(chǎn)生方式^[25]，渦旋波束各個(gè)模式彼此正交，對(duì)于無(wú)線通信中提高頻譜利用率增大信息容量具有重要意義。

2.2.2 圓極化波激發(fā)渦旋波束

    基于P-B相位原理的高階渦旋波束產(chǎn)生方法相對(duì)于共振形式而言，設(shè)計(jì)上更為簡(jiǎn)單，通過(guò)旋轉(zhuǎn)單元結(jié)構(gòu)方向角即可實(shí)現(xiàn)。圖10展示了一種±2階渦旋波束產(chǎn)生方法^[11]，超表面陣列按照環(huán)形旋轉(zhuǎn)單元結(jié)構(gòu)方位角覆蓋2π，方向角相位覆蓋4π，在左右旋圓極化波入射下可實(shí)現(xiàn)拓?fù)潆姾蓴?shù)L為±2渦旋波束。

2.2.3 等離子體表面波激發(fā)渦旋波束

    2018年，上海理工大學(xué)莊松林院士團(tuán)隊(duì)和澳大利亞墨爾本大學(xué)合作利用表面等離子波在太赫茲渦旋波束軌道角動(dòng)量的調(diào)控取得了突破性的進(jìn)展^[26]，如圖11所示。

    在金屬薄膜上刻蝕矩形狹縫結(jié)構(gòu)，并且按照?qǐng)A環(huán)形方式排列，通過(guò)調(diào)整空氣狹縫的幾何相位，實(shí)現(xiàn)了圓極化波入射下任意軌道角動(dòng)量拓?fù)潆姾蓴?shù)的調(diào)控，這種方法在未來(lái)太赫茲通信、軌道角動(dòng)量調(diào)控等應(yīng)用擁有巨大的潛力。

2.3 平面超透鏡

    傳統(tǒng)的透鏡是通過(guò)空間相位的積累實(shí)現(xiàn)對(duì)入射波的聚焦，因而表面不同相位分布需要靠材料的厚度來(lái)調(diào)節(jié)，呈現(xiàn)出非均勻且有一定厚度的特性。相比之下，基于超表面的透鏡可以在厚度可忽略不計(jì)平面上實(shí)現(xiàn)入射波的相位調(diào)制，從而大大減小透鏡的尺寸。為了實(shí)現(xiàn)聚焦，超表面通常將入射平面波前重塑為球面波前^[27]。平面透鏡上各點(diǎn)的相移與其位置之間的關(guān)系為：

式中，Φ是突變相位，F(xiàn)是透鏡焦距，R為透鏡的徑向向外分布的距離。目前，平面超透鏡根據(jù)材料可調(diào)諧性可以分為兩類(lèi)，如表3所示。

2.3.1 靜態(tài)平面超透鏡

    靜態(tài)平面超透鏡一般由單層或多層微結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成。2015年，天津大學(xué)張偉力教授團(tuán)隊(duì)提出的一種帶寬0.4 THz平面超透鏡^[28]，如圖12所示?；诠舱裣辔坏腃型單層金屬結(jié)構(gòu)，能夠有效地覆蓋2π相移，并且陣列單元結(jié)構(gòu)透射率能穩(wěn)定在0.5左右。

    這種基于單層或多層金屬的平面超透鏡在可以在滿足相位調(diào)制的前提下，可實(shí)現(xiàn)波束的寬帶聚焦^[29]等多種功能。這些靜態(tài)平面透鏡在可以在激光顯微鏡、成像和光譜學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用。

    圖13展示了多焦點(diǎn)平面透鏡^[30]?；趲缀蜗辔徽{(diào)控的自旋選擇平面透鏡，采用的是狹縫天線作為單元結(jié)構(gòu)，可將不同自旋態(tài)的入射波聚焦到寬頻帶范圍內(nèi)的兩個(gè)分離焦斑上，實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)聚焦。這種多焦點(diǎn)平面鏡在為開(kāi)發(fā)緊湊型成像系統(tǒng)和光電子設(shè)備提供前景。

2.3.2 可調(diào)諧平面超透鏡

    可調(diào)諧平面超透鏡主要是通過(guò)二維材料、相變特性材料來(lái)實(shí)現(xiàn)平面超透鏡的功能調(diào)諧^[31-33]。石墨烯超透鏡是通過(guò)將活性石墨烯與金屬或介電質(zhì)超表面相結(jié)合，或直接利用石墨烯結(jié)構(gòu)作為超表面的材料來(lái)控制波前。

    圖14(a)展示了一種基于石墨烯的可調(diào)諧反射聚焦透鏡^[31]，該透鏡由矩形孔徑陣列構(gòu)成。通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯費(fèi)米能級(jí)，繼而動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)其表面離子體激元的光學(xué)性質(zhì)，從而導(dǎo)致反射光的相位突變。其可以實(shí)現(xiàn)太赫茲圓極化波的焦點(diǎn)強(qiáng)度或焦距的動(dòng)態(tài)調(diào)控，焦點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)44 μm。

    基于二氧化釩(VO₂)的相變材料可通過(guò)光控實(shí)現(xiàn)金屬態(tài)和介質(zhì)態(tài)的轉(zhuǎn)換，采用VO₂的動(dòng)態(tài)全息表面^[32]和采用介質(zhì)硅設(shè)計(jì)的偏振開(kāi)關(guān)^[33]都很容易地?cái)U(kuò)展基于超表面的有源平面光學(xué)組件，在光敏自動(dòng)對(duì)焦相機(jī)的超快變焦平面透鏡應(yīng)用中具有巨大的潛力。

2.4 全息成像

    1948年，全息成像技術(shù)是由GABOR E D提出的，通過(guò)照射在全息圖(一種光學(xué)記錄的干涉圖樣)后的散射波束，重建物體的三維成像^[34]。此后,全息成像在計(jì)算機(jī)可重構(gòu)的幫助下獲得廣泛應(yīng)用，例如可重構(gòu)調(diào)節(jié)的空間光調(diào)制器(SLMs)^[35]。而超表面對(duì)相位的靈活操控使得全息成像技術(shù)進(jìn)一步得到發(fā)展，結(jié)合Gerchberg-Saxton迭代算法的太赫茲全息相位板^[36]在3D數(shù)字成像、記憶存儲(chǔ)、太赫茲光學(xué)信息傳輸、半導(dǎo)體載流子輸運(yùn)等應(yīng)用上具有非凡的應(yīng)用價(jià)值。

3 總結(jié)與展望

    超表面是替代傳統(tǒng)電磁元件的最有前途的選擇之一，更適用于高集成度的微型化光電器件。在太赫茲波段下，效率作為關(guān)鍵性能因素之一，現(xiàn)有超表面的效率還需要進(jìn)一步提高。由于半導(dǎo)體或高折射率介質(zhì)在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)內(nèi)損耗較小，特別是全介質(zhì)硅超表面應(yīng)用廣泛，為了實(shí)現(xiàn)有源超表面，如采用相變材料、二維材料、液晶等來(lái)實(shí)現(xiàn)可調(diào)性能。此外，從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，在柔性襯底上制備的超表面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

    在過(guò)去的幾年里，超表面器件發(fā)展迅速，但是在器件集成和進(jìn)一步減小損耗上要找到一個(gè)令人滿意的、完整的解決方案仍然有很長(zhǎng)的路要走。在可預(yù)期的未來(lái)，超表面器件將會(huì)發(fā)揮更大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，這也將推動(dòng)著太赫茲光學(xué)系統(tǒng)的集成的發(fā)展。

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作者信息：

寇  偉1，陳  婷1，楊梓強(qiáng)1，梁士雄2

(1.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都610054；

2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 專(zhuān)用集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊050051)