透视INSIGHT 超表面材料与器件的应用前景 ■文/张岩叶仕声： 1,首都师范大学物理系 2,北京市超材料与器件重点实险室 一、概述 的高速发展，引起了人们观念的深刻 上环是光得的积墨，其亦黄的移决在 传统的光学元件基于光波的折射 变革在20世纪80年代中期，美国响 于据弃了光学元件中元余的2开相位 和反射原理对人时光讲行调到，从而 省理工学院(MIT)林肯实验室的Veld 然而，对于微波以及太赫蕊波段」 实现工作光波前的聚焦、成像，分色等 amp领导的研究组率先提出了“二元 基于衍射光学原理设计和加工的器件 光学功能。传统光学元件的尺寸通常 光学”的概念，衍射光学元件，是基于 的体积仍十分庞大，为进一步减小光 为工作波长的几百倍甚至上千倍.所 光波的衍射理论，采用计算机辅助设 学元件的厚度，要探素新的结构或 以体积庞大质量大功能单 一般 计和超大规模集成电路技术，在片基 机制在此背景下，基于人工结构的超 采用机械的铣，磨，抛光等方式加工 上刻速出 一的特定浮雌结构， 材料应运而生。超材料是指其特征尺 工艺复杂，成本较高。由于传统光学元 可以对人射光的相位进行调制的一类 度远小于工作波长的一种人工材料， 件的尺寸远远大于光波的波长，光波 光学元件。衍射光学元件具有广泛、灵 可以实现许多自然材料不能够实现 的衍射效应可以忽略，可采用几何光 活控制光波波前的能力，实现各种复 功能，通过合理设计其特征单元的大 学的光线追迹方法对其进行分析和设 合光学功能，可用于波前校正，光束整 小形状以及基底的材料，超材料可以 计.传统光学元件是第1代光学元件 形光学互联微型光通讯等方面。衍 实现许多传统材料所不具备的特性 曾经在很长时间内占据着统治地位， 射光学元件是第2代光学元件，相对 例如负折射、超分辨成像以及隐身 它是通过光程的积累来实现相位的改 于传统光学元件，它具有体积小，质量 材料等，超表面材料是一种特殊的 变，因此，相位变化与光学元件的厚度 经、结构紧凑.易于复制.成本低廉等 超材料，其利用单层结构化的金属材 成正比 优点。一般来说，衍射光学元件的特征 料（通营厚为几十个纳米）实即对 20世纪60年代，随着激光的发 尺寸稍大于光波波长，可采用标量衍 电破波的栽剪和调控。由于其采用的 明、全息学的建立，特别是微电子加 射理论对其进行性能分析和设计。衍 是金属中的电子与电磁波相互作用实 工技术的长足进步，推动了光学技术 射光学元件对人射光的相位调制实质 现对电磁波的调制的新原理.从面利 30 Ady
30 Advanced Materials Industry 透 视 INSIGHT 超表面材料与器件的应用前景 ■ 文 / 张 岩 1 叶佳声 2 1. 首都师范大学物理系 2. 北京市超材料与器件重点实验室 一、概述 传统的光学元件基于光波的折射 和反射原理，对入射光进行调制，从而 实现工作光波前的聚焦、成像、分色等 光学功能。传统光学元件的尺寸通常 为工作波长的几百倍甚至上千倍，所 以体积庞大、质量大、功能单一，一般 采用机械的铣、磨、抛光等方式加工， 工艺复杂，成本较高。由于传统光学元 件的尺寸远远大于光波的波长，光波 的衍射效应可以忽略，可采用几何光 学的光线追迹方法对其进行分析和设 计。传统光学元件是第 1代光学元件， 曾经在很长时间内占据着统治地位， 它是通过光程的积累来实现相位的改 变，因此，相位变化与光学元件的厚度 成正比。 20世纪 60年代，随着激光的发 明、全息学的建立，特别是微电子加 工技术的长足进步，推动了光学技术 的高速发展，引起了人们观念的深刻 变革。在 20世纪 80年代中期，美国麻 省理工学院（MIT）林肯实验室的Veld kamp领导的研究组率先提出了“二元 光学”的概念。衍射光学元件，是基于 光波的衍射理论，采用计算机辅助设 计和超大规模集成电路技术，在片基 上刻蚀出深浅不一的特定浮雕结构， 可以对入射光的相位进行调制的一类 光学元件。衍射光学元件具有广泛、灵 活控制光波波前的能力，实现各种复 合光学功能，可用于波前校正、光束整 形、光学互联、微型光通讯等方面。衍 射光学元件是第 2代光学元件，相对 于传统光学元件，它具有体积小、质量 轻、结构紧凑、易于复制、成本低廉等 优点。一般来说，衍射光学元件的特征 尺寸稍大于光波波长，可采用标量衍 射理论对其进行性能分析和设计。衍 射光学元件对入射光的相位调制实质 上还是光程的积累，其变薄的秘诀在 于摒弃了光学元件中冗余的 2π相位。 然而，对于微波以及太赫兹波段， 基于衍射光学原理设计和加工的器件 的体积仍十分庞大，为进一步减小光 学元件的厚度，需要探索新的结构或 机制。在此背景下，基于人工结构的超 材料应运而生。超材料是指其特征尺 度远小于工作波长的一种人工材料， 可以实现许多自然材料不能够实现的 功能。通过合理设计其特征单元的大 小、形状以及基底的材料，超材料可以 实现许多传统材料所不具备的特性， 例如负折射[1]、超分辨成像[2]以及隐身 材料[3]等。超表面材料是一种特殊的 超材料，其利用单层结构化的金属材 料（通常厚度为几十个纳米）实现对 电磁波的裁剪和调控。由于其采用的 是金属中的电子与电磁波相互作用实 现对电磁波的调制的新原理，从而利 10 (1).indd 30 2014/9/22 18:42:16
INSIGHT透视 用超薄的结构化金属单元实现对电磁 多课题组提出了不同的结构，所采用 0.75THz的电磁波的振幅调制都基本 波的调按，因此能够实现超薄的平板 的原理基本相同以Capasso小组的 相同.但是相位调制不同.在0一2间 光学元器件，能够实现无像差成像此 海层全属V型天线为例来说明其基本 且有8个第级加果想设计一个纯相 外，用于调制波前的每个小单元都是 原理。在图1中，当竖直偏振的人射光 位调制的柱透镜，可以根据透镜的焦 亚波长量级，从而可以实现高分辨的 霜射金凤纳米天线上时，解发生偶 距和孔径得到相应的相位分布，让后 波前调控。平板光学元件是第3代光 极共振，在s轴和a轴方向上V型天线 将相位分布折叠到0一2，并进行八阶 学元件，利用这种相位调制方法，科学 分别支持对称模式和非对称模式。在 量化，根据相应的数值选择对应的天 家们实现了涡旋光束、宽带光弯曲双 与人射光偏振方向相垂直的方向上 线，按照图2(b)的形式排列起来，并 偏振金属透镜以及平板轴维镜实验。 散射光的振幅和相 立被调制。若将图 在另一个方向上不断重复，就可以得 相对于传统光学元件和衍射光学 1(a)中的V型天线沿与入射光偏振方 到相应的柱透镜。如果考虑到天线的 元件面言，基于超表面材料的平板光 向相垂直的方向做镜像， 如图1b)所 振、偏振以及领调制特性，可以设 学元件具有以下优势：①平板光学元 示，则散射光的振幅相同，相位正好相 更为复杂的器件，可以集多种功能 件的相位调制起源于表面等离子体到 差π，通过改变V型天线的长度夹角 于一体，实现现有器件所不能实现的 振效应，其厚度约为50nm,比衍射光 等，可控制散射光的振幅和相位在金 功能。同时，亚波长天线还可以对电 学元件的厚度降低1一3个数量级，将 属亚波长V型天线中，相位的改变是 波的振幅和偏振特性进行调制，综 推动光学元件的轻形化微刑化和 基于表而等离子体共振效应，不再是 这些调制特件，环可可以设计其他且有 成化，特别适合微波以及太赫兹波段 光程的累积」 特殊功能的器件，并有可能集振幅相 的被前周制：①平板光学元体对光场 具备了天线的相位调制特性，就 位以及偏振调制与一体，制备高度集 的调制来源于电磁共振，可以精确地 可以进行各种超表面光学器件的设 成的新一代光学器件 控制相位，可消除球透镜等光学元 计.以 个纯相位透镜为例来说明设 中的球差、慧差，象散等，③平板光学 计的基本原理.见图2可.如图2(a)所 三、超表面器件 元件的制作只需一次刻蚀，避免 示，洗择一组8个天线，每个天线对 利用超表而的特殊性，很多机构 射光学元件加工过程中的多次套刻及 楂隙板对准等问题，加工简单，成本低 非对称模 廉，易于复制，适宜于大规模生产和应 用。因此，可以期待某于招表面的平板 光学元件在空间通讯动态扫描等 面起到重要的作用， 本文将介绍招表面材料的基本后 理，总结目前超表面材料与器件的现 状，并指出超表面材料与器件面临的 机遇与挑战， 二、超表面材料的基本原理 2011年。美国哈佛大学的 Capasso所领导的课题组提出了超表 面的概念.他们设计了莲层金属 亚波长V型天线阵列结构（见图1）获 ()为对竖直偏振的入射光，支特对称核式和非对称榄式的2种结构， 得了散射场的振幅和相位的突变，得 (D)为沿香直于入射光偏振方向的对称和非对称镜像结构。 到了相位调制的规律。虽然之后有许 图1V型天线的调控原理 新程产业N0.1020143
新材料产业 NO.10 2014 31 INSIGHT 透 视 用超薄的结构化金属单元实现对电磁 波的调控，因此能够实现超薄的平板 光学元器件，能够实现无像差成像。此 外，用于调制波前的每个小单元都是 亚波长量级，从而可以实现高分辨的 波前调控。平板光学元件是第 3代光 学元件。利用这种相位调制方法，科学 家们实现了涡旋光束、宽带光弯曲、双 偏振金属透镜以及平板轴锥镜实验。 相对于传统光学元件和衍射光学 元件而言，基于超表面材料的平板光 学元件具有以下优势 ：①平板光学元 件的相位调制起源于表面等离子体共 振效应，其厚度约为 50nm，比衍射光 学元件的厚度降低 1 ～3个数量级，将 推动光学元件的轻型化、微型化和集 成化，特别适合微波以及太赫兹波段 的波前调制 ；②平板光学元件对光场 的调制来源于电磁共振，可以精确地 控制相位，可消除球透镜等光学元件 中的球差、慧差、象散等 ；③平板光学 元件的制作只需一次刻蚀，避免了衍 射光学元件加工过程中的多次套刻及 掩膜板对准等问题，加工简单、成本低 廉、易于复制，适宜于大规模生产和应 用。因此，可以期待基于超表面的平板 光学元件在空间通讯、动态扫描等方 面起到重要的作用。 本文将介绍超表面材料的基本原 理，总结目前超表面材料与器件的现 状，并指出超表面材料与器件面临的 机遇与挑战。 二、超表面材料的基本原理 2011年，美 国 哈 佛 大 学 的 Capasso所领导的课题组提出了超表 面的概念[4-6]，他们设计了薄层金属 亚波长V型天线阵列结构（见图 1）获 得了散射场的振幅和相位的突变，得 到了相位调制的规律。虽然之后有许 多课题组提出了不同的结构，所采用 的原理基本相同。以Ca p a s s o小组的 薄层金属V型天线为例来说明其基本 原理。在图 1中，当竖直偏振的入射光 照射到金属纳米天线上时，将发生偶 极共振，在s轴和a轴方向上V型天线 分别支持对称模式和非对称模式。在 与入射光偏振方向相垂直的方向上， 散射光的振幅和相位被调制。若将图 1( a )中的V型天线沿与入射光偏振方 向相垂直的方向做镜像，如图 1（b）所 示，则散射光的振幅相同，相位正好相 差π。通过改变V型天线的长度、夹角 等，可控制散射光的振幅和相位。在金 属亚波长V型天线中，相位的改变是 基于表面等离子体共振效应，不再是 光程的累积。 具备了天线的相位调制特性，就 可以进行各种超表面光学器件的设 计。以一个纯相位透镜为例来说明设 计的基本原理，见图 2[7]。如图 2（a）所 示，选择一组 8个天线，每个天线对 0.75THz的电磁波的振幅调制都基本 相同，但是相位调制不同，在 0 ～2间 具有 8个等级。如果想设计一个纯相 位调制的柱透镜，可以根据透镜的焦 距和孔径得到相应的相位分布，让后 将相位分布折叠到 0 ～2，并进行八阶 量化，根据相应的数值选择对应的天 线，按照图 2（b）的形式排列起来，并 在另一个方向上不断重复，就可以得 到相应的柱透镜。如果考虑到天线的 振幅、偏振以及频率调制特性，可以设 计更为复杂的器件，可以集多种功能 于一体，实现现有器件所不能实现的 功能。同时，亚波长天线还可以对电磁 波的振幅和偏振特性进行调制，综合 这些调制特性，还可以设计其他具有 特殊功能的器件，并有可能集振幅、相 位以及偏振调制与一体，制备高度集 成的新一代光学器件。 三、超表面器件 利用超表面的特殊性，很多机构 （a） （b） （a）为对竖直偏振的入射光，支持对称模式和非对称模式的 2种结构 ； （b）为沿垂直于入射光偏振方向的对称和非对称镜像结构。 对称模式 非对称模式 图 1 V 型天线的调控原理 10 (1).indd 31 2014/9/22 18:42:17
透视NSIGHT 已经设计和制作了很多具有特殊功能 的器件，包括涡旋相位片，透镜，全息 相位片等，工作波长也涉及可见光到 太赫兹被段本文给出几个超表面器 件的实例 1,超表面涡旋相位片 旋光束是指光束的相位分布绕光 轴一圈不断增加的光束，对于拓扑数 为1的涡旋光束，其相位增加值为2 77J日 利用超表面的相位调制特性，可以把 结构编号 相应的亚波长天线按照图3(a)的形 式排列，其细节部分如图3(b)所示 将一圆周8等分，每一等分实现一种 位置x(mm) 相位调制.这样进实现了离敬的招夫 (a)8个天线的报幅和相位调制：(b)进行透镜设计的原理 面涡旋相位片“，当光束穿过该相代 图2统相位超表面器件设计原理 片时，波前相位得到调制，在远场形成 的强度图案如图3()所示，强度分布 (a) 为一亮环，中心为暗斑，被调制的涡旋 3元/2 5π/4 光束同同轴高斯光的干涉结果如图 (d)所示，干涉图案形成了涡旋型分 布，而涡旋光束同离轴高斯光束的干 3/4 涉结果如3()所示，形成了典型的分 元/4 /2 又光椰图案，并产生了较好的涡旋光 40m 2.超表面太赫兹透镜 利用超表面材料可以制作光学 透-，图4给出了利用超表面材料 制作诱培的例子可按照上述的打法 当得知透镜的焦距和大小后，就可以 计算出透镜上各点的相位分布，依照 相位分布选择对应的天线就可以排 a)器件的相位分布：(b)器件的局域放大 (©)具有拓扑核为1的旋光束的远场强度分 列出如图4(a)所示的器件。当高斯光 (d)涡旋光束同同 轴高斯光束的干涉结果，()涡旋光末同离轴高斯光束的干涉结 入射到该器件时，在焦平面上可以得 图3超表面祸旋相位器件原理 到图4(b)的强度分布，可以看到光 束被很好地聚焦。该透镜还可以用于 1/4000.是名符其实的超薄透镜 了利用园偏振光偏振改变时引入的相 成像，将图4(c)所示的物体放在诱镜 3.超表面全息 位变化来实现相表面全息的绵码，并 前，在成像平面上就可以得到图4(d) 超表面全息是利用超表面材料的 实现三维成像的示意图和成像结果 所示的图像，可以看出得到图像与原 相位调制特性，设计特殊的亚被长天 从图5(b)中可以看到，三维图像被很 物符合很红该诱特的工作频宰是 线分布，使得光通过后得到特定的相 好地展示出来 0.75THz,对应波长为400m,面透 位调制，在远场处就可以特殊的光场 4,超表面偏振转换器件 镜的厚度为100加m,仅为工作波长的 分布，形成三维物体分.图5给出 利用亚波长的特殊的共振特性，还 32A
32 Advanced Materials Industry 透 视 INSIGHT 已经设计和制作了很多具有特殊功能 的器件，包括涡旋相位片、透镜、全息 相位片等，工作波长也涉及可见光到 太赫兹波段。本文给出几个超表面器 件的实例。 1. 超表面涡旋相位片 旋光束是指光束的相位分布绕光 轴一圈不断增加的光束，对于拓扑数 为 1的涡旋光束，其相位增加值为 2。 利用超表面的相位调制特性，可以把 相应的亚波长天线按照图 3（a）的形 式排列，其细节部分如图 3（b）所示。 将一圆周 8等分，每一等分实现一种 相位调制，这样就实现了离散的超表 面涡旋相位片[4,8]。当光束穿过该相位 片时，波前相位得到调制，在远场形成 的强度图案如图 3（c）所示，强度分布 为一亮环，中心为暗斑。被调制的涡旋 光束同同轴高斯光的干涉结果如图 3 （d）所示，干涉图案形成了涡旋型分 布。而涡旋光束同离轴高斯光束的干 涉结果如 3（e）所示，形成了典型的分 叉光栅图案，并产生了较好的涡旋光。 2. 超表面太赫兹透镜 利用超表面材料可以制作光学 透镜[9-11]。图 4给出了利用超表面材料 制作透镜的例子[7]。按照上述的方法， 当得知透镜的焦距和大小后，就可以 计算出透镜上各点的相位分布，依照 相位分布选择对应的天线就可以排 列出如图 4（a）所示的器件。当高斯光 入射到该器件时，在焦平面上可以得 到图 4（b）的强度分布，可以看到光 束被很好地聚焦。该透镜还可以用于 成像，将图 4（c）所示的物体放在透镜 前，在成像平面上就可以得到图 4（d） 所示的图像，可以看出得到图像与原 物符合很好。该透镜的工作频率是 0.75TH z，对应波长为 400μm，而透 镜的厚度为 100nm，仅为工作波长的 1/4000，是名符其实的超薄透镜。 3. 超表面全息 超表面全息是利用超表面材料的 相位调制特性，设计特殊的亚波长天 线分布，使得光通过后得到特定的相 位调制，在远场处就可以特殊的光场 分布，形成三维物体分布[12]。图 5给出 （a）8个天线的振幅和相位调制 ；（b）进行透镜设计的原理 （a）器件的相位分布 ；（b）器件的局域放大 ；（c）具有拓扑核为 1的涡旋光束的远场强度分布 ； （d）涡旋光束同同轴高斯光束的干涉结果 ；（e）涡旋光束同离轴高斯光束的干涉结果。 图 2 纯相位超表面器件设计原理 图 3 超表面涡旋相位器件原理 （a） （b） 了利用圆偏振光偏振改变时引入的相 位变化来实现超表面全息的编码，并 实现三维成像的示意图和成像结果。 从图 5（b）中可以看到，三维图像被很 好地展示出来。 4. 超表面偏振转换器件 利用亚波长的特殊的共振特性，还 （a） （b） （c） （d） （e） 结构编号 归一化振幅 相位（弧度） 相位/（弧度） 位置x（mm） 10 (1).indd 32 2014/9/22 18:42:17
INSIGHT透视 出射的右旋园偏光 计算全息树 -2 C-N U CANU 日内内内 (e) 到超表面全息板的距离 《a)透镜的局部光学图像：(b)透镜对高新光束的聚焦情况， (c)物体的光学图片，(@).(e.(03个字母对应的太赫兹图像 (a)结构示意图，(b)超表面全息的三维成像结果 图4超表面太赫兹透镜原理 图5超表面全息原理 可以制作超表面偏振转换器件-.图 (a) 6给出了太赫兹波段偏振转换器件的示 意图和实验结果.可以看出，从0.4TH2 到2.0TH2,器件都能够给出较好的偏 振转换结果，并且转换效率在50%以 上，可见器件具有较好的应用前景 四、超表面器件的机遇与挑战 超表面光学器件的提出，给光学 (b) 1.0 正交偏振的透过率 器件的制造带来了新的革命。它不再 利用光在介质中的传指进行相位调 验 制，而是通过超薄平面上亚波长天线 0.6 的共振引入，因此这种器件的厚度可 以远远小于波长，成为超薄器件。此 0.4 外，通过亚波长天线的调控，不仅可以 02 控制电磁波的振幅和相位，还可以实 现偏振的调控，从面实现对电磁波场 0.4 0.81.21.6 2.0 2 的全矢量调控。如果可以实现对这些 频率/THz 亚波长天线的动态调控，还能够实现 (a)结构示意图，(b)实验结果，从0.4TH到2.0THz都具有很好的偏振转化特性 对电磁被的动态调控，对未来的三维 图6超表面偏振转换器件原理 立体显示将是一个重大的突破。 新FN0.1020143
新材料产业 NO.10 2014 33 INSIGHT 透 视 可以制作超表面偏振转换器件[13-15]。图 6给出了太赫兹波段偏振转换器件的示 意图和实验结果。可以看出，从0.4THz 到 2.0THz，器件都能够给出较好的偏 振转换结果，并且转换效率在 50%以 上，可见器件具有较好的应用前景。 四、超表面器件的机遇与挑战 超表面光学器件的提出，给光学 器件的制造带来了新的革命。它不再 利用光在介质中的传播进行相位调 制，而是通过超薄平面上亚波长天线 的共振引入，因此这种器件的厚度可 以远远小于波长，成为超薄器件。此 外，通过亚波长天线的调控，不仅可以 控制电磁波的振幅和相位，还可以实 现偏振的调控，从而实现对电磁波场 的全矢量调控。如果可以实现对这些 亚波长天线的动态调控，还能够实现 对电磁波的动态调控，对未来的三维 立体显示将是一个重大的突破。 （a） （b） （a） （c） （d） （e） （f） （a）透镜的局部光学图像 ；（b）透镜对高斯光束的聚焦情况 ； （c）物体的光学图片 ；（d）、（e）、（f）3个字母对应的太赫兹图像 （a）结构示意图 ；（b）实验结果，从 0.4THz到 2.0THz都具有很好的偏振转化特性 （a）结构示意图 ；（b）超表面全息的三维成像结果 计算全息板 出射的右旋园偏光 重建三维图 菲涅尔域 单像素 右旋圆偏光入射 玻璃衬底 金属纳米条 图 4 超表面太赫兹透镜原理 图 6 超表面偏振转换器件原理 图 5 超表面全息原理 （a） （b） （b） 到超表面全息板的距离 正交偏振的透过率 平行偏振的反射率 频率/THz 反射率/透射率 理论 实验值 数字模拟 10 (1).indd 33 2014/9/22 18:42:17
透视NSIGHT 超表面光学器件也面临着重大 采用贵金属作为制作亚波长天线的材 基于超表面材料原理的空降光调制技 的挑战.首先，亚波长天线的加工十分 料，在可见光波段，其对光的吸收损耗 术，促进超表面器件的进一步应用也 复杂，亚波长天线的宽度是工作波长 十分巨大，达不到应用的需求，如何 具有重要挑战。但是可以确认的是 的1/10，因此加工制作可见光波段的 减少器件的插入损耗是一个挑战，第 超表面器件作为一种新的光学器件 超表面光学器件需要超高分辨的纳米 三，空间光调制器，形变镜等动态波 必将开拓其崭新的应用领域.口巴 加工技术，十分具挑战性，第二，目前 前调制器件已经日渐成熟，如何发展 10.3969/.ism.1008-892X.2014.10.007 参考文献 11]Shelby R A,Smith D R,Schultz S.Experimental verification of a negative index of refraction J].Science,2001,292(5514):77-79. [2]Pendry J B.Negative refraction makes a perfect lensJ].Phys Rev Lett,2000,85(18):3966-3969. [3]Cai WenShan,Chettiar U K,Kildishev A V,et al.Optical cloaking with metamaterialsJ].Nat Photonics,2007,1(4):224-227. 14]Yu NanFang,Genevet P,Kats M A,et al.Light Propagation with Phase Discontinuities:Generalized Laws of Reflection and RefractionlJ].Science,2011.334(6054):333-337 15]Ni XingJie,Emani N K.Kildishev A V,et al.Broadband Light Bending with Plasmonic].Scicnce,2012,335(6067):427. 16]Huang Lingling,Chen Xianzhong,Muhlenbernd H.et al.Dispersionless Phase Discontinuities for Controlling Ligh Propagation[J].Nano Lett,2012.12(11):5750-5755. [7]Hu Dan,Wang XinKe,Feng ShengFei,et al.Ultrathin Terahertz Planar ElementsJ].Adv Opt Mater,2013,1(2):186-191. (8]He Jing Wen,Wang Xin Ke,Hu Dan,al.Cencration and evolution of the terahert vortex bean.Op Epress,2013,21(1: 9]Aietaf,Genevetp,Kats M A,et al.Aberration-Free Ultrathin Flat Lenses and Axicons at Telecom Wavelengths Based on Plasmonic Metasurfaces[J].Nano Lett,2012,12(9):4932-4936. 110]Chen Xianzhong,Huang Lingling,Muhlenbernd H,et al.Dual-polarity plasmonie metalens for visible light J].Nat Commun,2012,3(13):1198 111]Ni XingJie,Ishii S,Kildishev A V,et al.UItra-thin,planar,Babinet-inverted plasmonic metalenses[J].Light-Sei Appl.2013(2):c72 112]Huang Lingling,Chen XianZhong,Muhlenbernd H,et al.Three-dimensional optical holography using a plasmonic metasurfacelJ],Nat Commun,2013(2):2808. [13]Yu NanFang,Aieta F,Genevet P,et al.A Broadband,Background-Free Quarter-Wave Plate Based on Plasmonic Metasurfaces[J].Nano Lett,2012,12(12):6328-6333 14]Yin XiaoBo,Ye ZLiang,RHO J,et al.Photonic Spin Hall at Metasurfaces[J].Science,2013,339(6126):1405- 1407 15]Grady N K,Heyes J E,Chowdhury D R,et al.Terahertz Metamaterials for Linear Polarization Conversion and Anomalous Refraction[J].Science,2013,340(6138):1304-1307 116]Xie ZhenWei,Wang XinKe,Ye JiaSheng,et al.Spatial Terahertz Modulator(J].Sci Rep-Uk,2013(3):3347. Advanced Materials Industry
34 Advanced Materials Industry 透 视 INSIGHT 超表面光学器件也面临着重大 的挑战。首先，亚波长天线的加工十分 复杂，亚波长天线的宽度是工作波长 的 1/10，因此加工制作可见光波段的 超表面光学器件需要超高分辨的纳米 加工技术，十分具挑战性 ；第二，目前 采用贵金属作为制作亚波长天线的材 料，在可见光波段，其对光的吸收损耗 十分巨大，达不到应用的需求，如何 减少器件的插入损耗是一个挑战 ；第 三，空间光调制器，形变镜等动态波 前调制器件已经日渐成熟，如何发展 基于超表面材料原理的空降光调制技 术，促进超表面器件的进一步应用也 具有重要挑战[16]。但是可以确认的是， 超表面器件作为一种新的光学器件， 必将开拓其崭新的应用领域。 10.3969/j.issn.1008-892X.2014.10.007 参考文献 [1] Shelby R A,Smith D R,Schultz S.Experimental verification of a negative index of refraction[J].Science,2001,292(5514):77-79. [2] Pendry J B.Negative refraction makes a perfect lens[J].Phys Rev Lett,2000,85(18):3966-3969. [3] Cai WenShan,Chettiar U K,Kildishev A V,et al.Optical cloaking with metamaterials[J].Nat Photonics,2007,1(4):224-227. [4] Yu NanFang,Genevet P,Kats M A,et al.Light Propagation with Phase Discontinuities:Generalized Laws of Reflection and Refraction[J].Science,2011,334(6054):333-337. [5] Ni XingJie,Emani N K,Kildishev A V,et al.Broadband Light Bending with Plasmonic Nanoantennas[J].Science,2012,335(6067):427. [6] Huang Lingling,Chen Xianzhong,Muhlenbernd H,et al.Dispersionless Phase Discontinuities for Controlling Light Propagation[J].Nano Lett,2012,12(11):5750-5755. [7] Hu Dan,Wang XinKe,Feng ShengFei,et al.Ultrathin Terahertz Planar Elements[J].Adv Opt Mater,2013,1(2):186-191. [8] He Jing Wen,Wang Xin Ke,Hu Dan,et al.Generation and evolution of the terahertz vortex beam[J].Opt Express,2013,21(17):20230-20239. [9] Aietaf,Genevetp,Kats M A,et al.Aberration-Free Ultrathin Flat Lenses and Axicons at Telecom Wavelengths Based on Plasmonic Metasurfaces[J].Nano Lett,2012,12(9):4932-4936. [10] Chen Xianzhong,Huang Lingling,Muhlenbernd H,et al.Dual-polarity plasmonic metalens for visible light[J].Nat Commun,2012,3(13):1198. [11] Ni XingJie,Ishii S,Kildishev A V,et al.Ultra-thin, planar,Babinet-inverted plasmonic metalenses[J].Light-Sci Appl,2013（2）:e72. [12] Huang LingLing,Chen XianZhong,Muhlenbernd H,et al.Three-dimensional optical holography using a plasmonic metasurface[J].Nat Commun,2013（2）:2808. [13] Yu NanFang,Aieta F,Genevet P,et al.A Broadband,Background-Free Quarter-Wave Plate Based on Plasmonic Metasurfaces[J].Nano Lett,2012,12(12):6328-6333. [14] Yin XiaoBo,Ye ZLiang,RHO J,et al.Photonic Spin Hall Effect at Metasurfaces[J].Science,2013,339(6126): 1405- 1407. [15] Grady N K,Heyes J E,Chowdhury D R,et al.Terahertz Metamaterials for Linear Polarization Conversion and Anomalous Refraction[J].Science,2013,340(6138):1304-1307. [16] Xie ZhenWei,Wang XinKe,Ye JiaSheng,et al.Spatial Terahertz Modulator[J].Sci Rep-Uk,2013（3）:3347. 10 (1).indd 34 2014/9/22 18:42:17