2016年第1期 航空兵器 2016No.1 2016年2月 AERO WEAPONRY Feh.2016 D0L:10.19297/j.cnki.41-1228/j.2016.01.005 超表面研究进展 黄新朝，付全红，张富利 (西北工业大学，西安710072) 摘要：超表面是一种基于广义斯涅尔定律，通过控制波前相位、振幅以及偏振进行电磁/光 学波束调控的新结构，其新颖的机制和灵活的结构设计展现出广阔的应用前景。本文阐明了超表 面调控波束的物理机理，叙述超表面的发展历程，即从实现超表面到提高有效分量和动态可调超 表面的研究过程，总结了超表面透镜、超表面偏振器、表面等离子体激元调控等功能器件，并对 超表面有待解决的问题以及今后的发展趋势进行了探讨。 关键词：超表面；波束调控：广义斯涅尔定律；超表面器件 中图分类号：TN95;0441文献标识码：A文章编号：1673-5048(2016)01-0028-07 Research Advances of Metasurface Huang Xinchao,Fu Quanhong,Zhang Fuli (Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072.China) Abstract:Metasurface isa new ultrathin components which based on generalized Snell's Law to ma- nipulate 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 meta- surface,the method to increase anomalous coefficient of reflection and transmission,and tunable metasur- face components.Subsequently,this review introduces ultrathin flat lenses,metasurface polarizer,unidi- rectional 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 0引言 求也日益迫切。传统的机载、弹载雷达采用机械扫 描的方式对目标进行探测、定位，雷达波束偏转需 雷达作为战争之眼，担负着对敌目标预警、探 要机械转动装置的辅助。然而，飞机、导弹等航空 测、追踪、定位等战略和战术任务，雷达性能在很 武器有限的空间直接制约了雷达天线扫描视角的 大程度上决定了战争进度，是现代战争系统中最 范围，且机械转动时间的消耗也带来了雷达天线 重要的环节之一。随着新形势下军事斗争形态的 目标搜索时间过长，跟踪快速移动目标困难等问 日新月异，雷达导引系统新体制、新技术的开发需 题。另一方面，相控阵雷达采用隔离器作为移相器 可实现电扫描，具有扫描范围大、扫描时间短、定 收稿日期：2015-06-03 位精确等优点，但是，相应的相位控制单元的数量 基金项目：国家自然科学基金项目(11372248)；航空科学 多，体积庞大，无法适应航空器特别是弹载雷达的 基全项日(20120153001) 载重需要，且造价昂贵，不适宜在消耗量巨大的精 作者简介：黄新朝(1993-)，男，河北沧州人，项士研完生 确制导武器中应用。因此，探索电磁波/光波波束 研究方向为人工微结构的电磁调控。 1994-2016 China Academie Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
DOI: 10． 19297 /j． cnki． 41 － 1228 /tj． 2016． 01． 005 超表面研究进展 黄新朝，付全红，张富利 ( 西北工业大学，西安 710072) 摘 要: 超表面是一种基于广义斯涅尔定律，通过控制波前相位、振幅以及偏振进行电磁/光 学波束调控的新结构，其新颖的机制和灵活的结构设计展现出广阔的应用前景。本文阐明了超表 面调控波束的物理机理，叙述超表面的发展历程，即从实现超表面到提高有效分量和动态可调超 表面的研究过程，总结了超表面透镜、超表面偏振器、表面等离子体激元调控等功能器件，并对 超表面有待解决的问题以及今后的发展趋势进行了探讨。 关键词: 超表面; 波束调控; 广义斯涅尔定律; 超表面器件 中图分类号: TN95; O441 文献标识码: A 文章编号: 1673 － 5048( 2016) 01 － 0028 － 07 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 0 引 言 雷达作为战争之眼，担负着对敌目标预警、探 测、追踪、定位等战略和战术任务，雷达性能在很 大程度上决定了战争进度，是现代战争系统中最 重要的环节之一。随着新形势下军事斗争形态的 日新月异，雷达导引系统新体制、新技术的开发需 收稿日期: 2015 － 06 － 03 基金项目: 国家自然科学基金项目( 11372248) ; 航空科学 基金项目( 20120153001) 作者简介: 黄新朝( 1993 － ) ，男，河北沧州人，硕士研究生， 研究方向为人工微结构的电磁调控。 求也日益迫切。传统的机载、弹载雷达采用机械扫 描的方式对目标进行探测、定位，雷达波束偏转需 要机械转动装置的辅助。然而，飞机、导弹等航空 武器有限的空间直接制约了雷达天线扫描视角的 范围，且机械转动时间的消耗也带来了雷达天线 目标搜索时间过长，跟踪快速移动目标困难等问 题。另一方面，相控阵雷达采用隔离器作为移相器 可实现电扫描，具有扫描范围大、扫描时间短、定 位精确等优点，但是，相应的相位控制单元的数量 多，体积庞大，无法适应航空器特别是弹载雷达的 载重需要，且造价昂贵，不适宜在消耗量巨大的精 确制导武器中应用。因此，探索电磁波/光波波束 2016年第1期 2 0 1 6 年 2 月 航空兵器 AEＲO WEAPONＲY 2016 No． 1 Feb． 2016
黄新朝等：超表而研究讲展 29 可控的新方法成为了当务之急· 以推导广义折射定理为例，如图2所示，在 另外，基于人工微结构的电磁超材料由于可 界面上有相位突变量中，并且中在x方向以一定 以表现出传统天然材料不具有的电磁/光学特性如 梯度分布，根据费马原理，两占之间实际光线的相 负折射，及其任意调控电磁参数的奇异特性受到 移取极值。这是一个泛函极值问题，在特殊情 电磁 物理及材料等领域学者的重视。通过人 可转化为普通函数的极值问题。从A点出发的 巧设计的超材料构建空间折射率渐变，可以实现 光线经过界面处不同位置D,E到达B点可以获得 波束的偏转 相同相移，即光线经ADB和AEB两种路径的相移 这种人工变折射率材料依据结构单元的电磁 之差为0，表示为 指性质与结构参数的铺域关系，建立折射率不 kon,sin.d+中+dp=kon,sin,d山+中 (1) 几何参数的数值关系，通过相位累计效应 实现 折射率器件。但是，由于这种设计理念存在出射波 相位突变量的梯度表示为、得到广义折射 振幅难以保持一致、设计灵活度差、相位累计效应 定理 要求器件体积大等诸多缺点，使得这种人工变折 (2) 射率材料的发展进入瓶预期。后来，人们通讨探素 风或-a或-2盟 相位累计效应以外的新机理实现波束偏转，超表 同样可以得到广义反射定理： 面便应运而生。 (3) 超表面是一种通过控制波前相位、振幅以及 偏振进行波束调控的新结构，在其最初研究者虞 对式(3)等号右侧变形得到 南方的论文中被定义为“能够使一東光在自由空 (4 间波长范围内产生相位、振幅及偏振突变效应的 超薄平面光学元件“，超表面具有以下 正是由于在界面存在相位突变梯度，广义反射和 个特点 ()超表面面对波前相位作用远大于累计作 折射定理多出一项地 (2)满足亚波长条件，一般基于光学散射体 设计： (3)单元设计灵活，可以通过结构设计达到 阻抗匹配，增大透射率 可以看出，超表面具有完全不同于传统人工变 图2 广义折射定推导示意民 折射率材料的波束调控机理，具有设计灵活、物理 内涵丰言等诸多优点，再次掀起波束调控的研究热 超表面实现反常折（反）射 潮，从而促进了超表面各种新额物理图像的研究。 通过上述分析，可知设计具有一定相位突变 1超表面理论基础 梯度，即可实现波束调控。虞南方等人利用“V”形 基于广义斯涅尔定律，超表面利用相位突变 天线首次实现超表面设计。V”形金属天线中可 的梯府讲行波束调控，实现反常折射和反常反射 以激励起对称和反对称两种本征模式，两种模式 如图1所示。入射角为日的入射光经存在相位 产生的电场偏振方向垂直于入射波偏振方向且保 突变梯度的超表面时，反射角为.（日，≠8）的反乐 持了较大的振幅。通过调节“V”形天线臂长和夹 光线和折射角为日，的折射光线（反射角和折射角 角，可以使散射电磁波获得不同的相位差，且相位 不满足普通折射定理)。 变可以从0-2m连续变化 见图3。虞南方及 合作者首先将其应用到中红外波段，不久后其他 研究者又将类似结构应用到近红外波段。 镜像对称的天线激发的电流模式见图3(a)和 ),故相位相差。不同形状V”形天线的散 被相位见图3(c),相邻天线之间相差T/4相位，单 图1广义折射与反射示意图 元间距满足亚波长条件。 1994-2016 China Academic nal Electronic Publishing House htp: /www.cnki.ne
可控的新方法成为了当务之急。 另外，基于人工微结构的电磁超材料由于可 以表现出传统天然材料不具有的电磁/光学特性如 负折射，及其任意调控电磁参数的奇异特性受到 电磁、物理及材料等领域学者的重视。通过人工精 巧设计的超材料构建空间折射率渐变，可以实现 波束的偏转［1］。 这种人工变折射率材料依据结构单元的电磁 谐振性质与结构参数的敏感关系，建立折射率和 几何参数的数值关系，通过相位累计效应，实现变 折射率器件。但是，由于这种设计理念存在出射波 振幅难以保持一致、设计灵活度差、相位累计效应 要求器件体积大等诸多缺点，使得这种人工变折 射率材料的发展进入瓶颈期。后来，人们通过探索 相位累计效应以外的新机理实现波束偏转，超表 面便应运而生。 超表面是一种通过控制波前相位、振幅以及 偏振进行波束调控的新结构，在其最初研究者虞 南方的论文［2］中被定义为“能够使一束光在自由空 间波长范围内产生相位、振幅及偏振突变效应的 超薄平面光学元件”，超表面具有以下三个特点: ( 1) 超表面面对波前相位作用远大于累计作 用; ( 2) 满足亚波长条件，一般基于光学散射体 设计; ( 3) 单元设计灵活，可以通过结构设计达到 阻抗匹配，增大透射率。 可以看出，超表面具有完全不同于传统人工变 折射率材料的波束调控机理，具有设计灵活、物理 内涵丰富等诸多优点，再次掀起波束调控的研究热 潮，从而促进了超表面各种新颖物理图像的研究。 1 超表面理论基础 基于广义斯涅尔定律，超表面利用相位突变 的梯度进行波束调控，实现反常折射和反常反射 如图 1 所示［3］。入射角为 θi 的入射光经存在相位 突变梯度的超表面时，反射角为 θr ( θr≠θi ) 的反射 光线和折射角为 θt 的折射光线( 反射角和折射角 不满足普通折射定理) 。 图 1 广义折射与反射示意图 以推导广义折射定理为例，如图 2 所示［4］，在 界面上有相位突变量 Φ，并且 Φ 在 x 方向以一定 梯度分布。根据费马原理，两点之间实际光线的相 移取极值。这是一个泛函极值问题，在特殊情况 下，可转化为普通函数的极值问题。从 A 点出发的 光线经过界面处不同位置 D，E 到达 B 点可以获得 相同相移，即光线经 ADB 和 AEB 两种路径的相移 之差为 0，表示为 k0 nisinθidx + Φ + dΦ = k0 ntsinθtdx + Φ ( 1) 相位突变量的梯度表示为dΦ dx ，得到广义折射 定理: ntsinθt － nisinθi = 1 k0 dΦ dx ( 2) 同样可以得到广义反射定理: sinθr － sinθi = 1 k0 ni dΦ dx ( 3) 对式( 3) 等号右侧变形得到: sinθr － sinθi = 1 k0 ni dΦ dx = dΦ k0 1 nidx ( 4) 正是由于在界面存在相位突变梯度，广义反射和 折射定理多出一项dΦ dx 。 图 2 广义折射定推导示意图 2 超表面实现反常折( 反) 射 通过上述分析，可知设计具有一定相位突变 梯度，即可实现波束调控。虞南方等人利用“V”形 天线首次实现超表面设计［4］ 。“V”形金属天线中可 以激励起对称和反对称两种本征模式，两种模式 产生的电场偏振方向垂直于入射波偏振方向且保 持了较大的振幅。通过调节“V”形天线臂长和夹 角，可以使散射电磁波获得不同的相位差，且相位 突变可以从 0 ～ 2π 连续变化，见图 3。虞南方及其 合作者首先将其应用到中红外波段，不久后其他 研究者又将类似结构应用到近红外波段［5］。 镜像对称的天线激发的电流模式见图 3( a) 和 ( b) ，故相位相差 π。不同形状“V”形天线的散射 波相位见图 3( c) ，相邻天线之间相差π/4相位，单 元间距满足亚波长条件。 黄新朝等: 超表面研究进展 · 92 ·
·30 航空兵器2016年第1期 业 根据卫分量很弱的特性，在双层金线光棚夷 层中设计的相位突变结构，即可极大地提高反常 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，W© Zevong等人提出了利用多层打孔的金属孔径波号 之间的耦合来实现高透射率波束偏转的方案刀如 图5所示，Wei7ev0mg纯人发现，在多层金属薄都 的情形下，对金属薄板打上外径相同、内径不同的 圆环孔径如图5()所示，就能实现不同折射率 同时，在孔径大小远小于波长的情形下，电磁波通 过金属-电介质多层结构时如图5(b)所示，会发 生层与层之间的耦合，这种耦合一方面促使相色 oooooono 可以在0~2π连续变化，另一方面由金属孔径提 TBTA3TBT25引B3A7T 供的倏逝谐振耦合(evanescent resonant coupling能 图3入射电磁波在V光天线上激发的表面电流 够产生很高的透射率，这种局域的谐振决定了该 结构的性质。实验结果显示，波束能以65%的透 由于上术“V”形天线招表而反常透射和反常 射率在10GHz偏转18° 反射基于该结构的散射波，所以其信振反常分量 很弱。为此，Nathaniel等研究者利用“金线”光橱 “聚酰亚胺”介质夹层/“金”薄基 三明治结构实 现带有线偏振效应的完美反常反射如图4所示 此结构的设计灵感来自于经典的法布里一珀罗于 E 涉仪。结构示意图如图4(a)所示，结构显微图如 图4)所示。外场E。沿x方向，激发出共极化分 ,和交叉极化分量 ,两种偏振模态，两种 图5多层打孔方案示意图 在介质夹层中反复传输（多次反射），增强,减 此外，在提高透射率的研究上，Alu、Gem p.。交义极化（垂直于外场偏振方向）和共极化（平 行于外场偏振方向)反射率实验结果如图4(c)所 nady Shvets及Grbic[o等人的课题组分别就利用 示，在0.8THz和1.36THz横向极化反射率达到 不同单元谐振调节阻抗匹配来提高透射率方面做 80以上极化反射率低干5% 了原理上的探索。 上述超表面一旦制备完成，只能以固定的方 式调控电磁波，南京大学uBo提出利用引入了 变容二极管的超表面动态调控波束的方案山。该 工作巧妙地设计了 一种具有双谐振性质的超表面 单元，可在固定频段内实现对微波信号反射相位 (a) (h) 的360°连续动态调控，解决了传统结构中相位调 节范围不足的问颗。运用这种技术可对超表面有 个单元的相位调节性质进行改变和控制，形成多 种形式的相位调节方案，为电磁波调控提供了更 加灵活的方法。最近，东南大学的Liu Shuo等人采 取这一思想制造了加入二极管的可控超表面 0.4 通过上述超表面的研究历程可以看出，前期 研究者进行了提高有效分量、动态可调超表面的 图4“金线”光相“聚酰亚胺”介质夹层/“金”薄基板三明 相关探索，努力提高超表面的可应用性，也显示出 治结均示图 能够应用是超表面的基本要求之一。现今成熟的 1994-2016 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
图 3 入射电磁波在“V”形天线上激发的表面电流 由于上述“V”形天线超表面反常透射和反常 反射基于该结构的散射波，所以其偏振反常分量 很弱。为此，Nathaniel 等研究者利用“金线”光栅/ “聚酰亚胺”介质夹层/“金”薄基板三明治结构实 现带有线偏振效应的完美反常反射［6］如图 4 所示。 此结构的设计灵感来自于经典的法布里 － 珀罗干 涉仪。结构示意图如图 4( a) 所示，结构显微图如 图 4( b) 所示。外场 E0 沿 x 方向，激发出共极化分 量 px 和交叉极化分量 py 两种偏振模态，两种模态 在介质夹层中反复传输( 多次反射) ，增强 py 减弱 px。交叉极化( 垂直于外场偏振方向) 和共极化( 平 行于外场偏振方向) 反射率实验结果如图 4( c) 所 示，在 0． 8 THz 和 1． 36 THz 横向极化反射率达到 80% 以上，共极化反射率低于 5% 。 图4 “金线”光栅/“聚酰亚胺”介质夹层/“金”薄基板三明 治结构示意图 根据 px 分量很弱的特性，在双层金线光栅夹 层中设计的相位突变结构，即可极大地提高反常 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 等人提出了利用多层打孔的金属孔径波导 之间的耦合来实现高透射率波束偏转的方案［7］如 图 5 所示。Wei Zeyong 等人发现，在多层金属薄板 的情形下，对金属薄板打上外径相同、内径不同的 圆环孔径如图 5( a) 所示，就能实现不同折射率。 同时，在孔径大小远小于波长的情形下，电磁波通 过金属 － 电介质多层结构时如图 5( b) 所示，会发 生层与层之间的耦合。这种耦合一方面促使相位 可以在 0 ～ 2π 连续变化，另一方面由金属孔径提 供的倏逝谐振耦合( evanescent resonant coupling) 能 够产生很高的透射率，这种局域的谐振决定了该 结构的性质。实验结果显示，波束能以 65% 的透 射率在 10 GHz 偏转 18°。 图 5 多层打孔方案示意图 此外，在提高透射率的研究上，Alu［8］、Gennady Shvets［9］及 Grbic［10］等人的课题组分别就利用 不同单元谐振调节阻抗匹配来提高透射率方面做 了原理上的探索。 上述超表面一旦制备完成，只能以固定的方 式调控电磁波，南京大学 Zhu Bo 提出利用引入了 变容二极管的超表面动态调控波束的方案［11］。该 工作巧妙地设计了一种具有双谐振性质的超表面 单元，可在固定频段内实现对微波信号反射相位 的 360°连续动态调控，解决了传统结构中相位调 节范围不足的问题。运用这种技术可对超表面每 个单元的相位调节性质进行改变和控制，形成多 种形式的相位调节方案，为电磁波调控提供了更 加灵活的方法。最近，东南大学的 Liu Shuo 等人采 取这一思想制造了加入二极管的可控超表面［12］。 通过上述超表面的研究历程可以看出，前期 研究者进行了提高有效分量、动态可调超表面的 相关探索，努力提高超表面的可应用性，也显示出 能够应用是超表面的基本要求之一。现今成熟的 · 03 · 航空兵器 2016 年第 1 期
黄新朝等：超表而研究进展 31 印刷电路板刻蚀、软印刷、光刻等技术能充分保证 图7所示。 超表面的制备，再加上超表面灵活的结构设计、新 颖丰富的物理图像，超表面虽未被广泛应用，但基 于超表面的光学器件正在被广泛研究 3超表面器件设计 超表面诞生至今，因其新颖的物理机制、丰常 的物理图像、灵活的结构设计，研究者们先后提出 了很多新的光学器件句括平面透镜、信指片 图7超表面四分之一波片示意图 吸收器等。 3.1光学透镜 该超表面由两个具有不同相位突变分布的于 基于超表面，研究者们设计出了各种功能新 单元构成(a单元和b单元)，两个子单元相位差恰 颖的光学透镜-)。例如超表面结构实现锥棱镜 好为π2，辐射的反常折射分量恰好满足线偏振向 圆偏振转化条件。 特性，锥棱镜可以实现高斯光束向贝寒尔光束的 3招表面实现漏旅 转换，自从1954年发现这 现象至今已被 应用，但因其复杂的制备技术 严格的 工艺要求 涡旋光是一种等相位面呈螺旋状的光束 大体积等因素限制了它的进一步发展可，超表面 位因子为exp(il0,其中为拓扑荷数，每个光子 的出现使其发展出现了新的契机。Ca0ss0课题组 携带轨道角动量L=hl,可以应用于光学捕捉网 光学通信、S正D带光显激培喜领域2。祸棕 通过合理的设计存在径向相位突变分布的超表面 光可以由空间波调制器、全息技术第实现，但白从 器件，在通讯波长范围实现与锥面透镜有相同 超表面诞生后 作用的平面光学器件如图6所示。平面锥透镜示 对传统产生涡旋光 图如图6()所示，图中，D0F为景深：P,为平面 墨件上具有特定相位突变的一点，其相位突变量 技术产生冲击。Patrice等人通过合理排布角向结 构单元，控制相位突变量，产生祸旋光 等效为锥面诱镜上的S,点：B=tan1(r/DOF): 图8中，量子级联激光器产生中红外波段S馆 为超表面器件半径。由广义折射定律可以知道相 振垂直入射激光，经分光器后一束经偏振器处理 位分布满足中，(x,y)=k。√+了siB。平面器件 偏振方问旋转0°用作相干光 束由超表面 工聚的贝塞尔光束如图6(b)所示」 理，产生等幅涡旋光。此超表面由8种子单元构 成，在角向可以实现相位突变0-2π连续变化。两 束光最终相干叠加，由中红外摄像仪记录其强度 分布。 200200u anz (b) 图6平面锥透镜与平面器件示意图 3.2超表面偏振片 由于超表面基于单元辐射对波隶讲行调控 与波束的偏振态密不可分 所以相关研究者利用 这一特性，通过排布结构单元制成了四分之 片、线偏振转化器等平面偏振器，实现了线偏振向 圆偏振-回、提高反射率的共极化向交叉极化转 图8超表面实现涡旋光示意图 化等偏振态转变 3.4超表面实现波态转变 例如，在虞南方利用该结构单元辐射的有用 在国内，复旦大学周磊教授的课题组利用海 分量（实现反常折射和反常反射的散射分量）的偏 相位突变结构实现了平面波向表面波的转 振方向垂直于入射波偏振方向的特性，通过合理 化 ,该方案使用的结构单元见图9。由“H”型 排布结构单元，实现线偏振向圆偏振的转化如 属/介电材料层/金属平板组成的三明治结构，在 1994-2016 China Academic al Electronic Publishing House http://www.cnki.ne
印刷电路板刻蚀、软印刷、光刻等技术能充分保证 超表面的制备，再加上超表面灵活的结构设计、新 颖丰富的物理图像，超表面虽未被广泛应用，但基 于超表面的光学器件正在被广泛研究。 3 超表面器件设计 超表面诞生至今，因其新颖的物理机制、丰富 的物理图像、灵活的结构设计，研究者们先后提出 了很多新颖的光学器件，包括平面透镜、偏振片、 吸收器等。 3． 1 光学透镜 基于超表面，研究者们设计出了各种功能新 颖的光学透镜［13 － 15］。例如超表面结构实现锥棱镜 特性，锥棱镜可以实现高斯光束向贝塞尔光束的 转换，自从 1954 年［16］发现这一现象至今已被广泛 应用，但因其复杂的制备技术、严格的工艺要求、 大体积等因素限制了它的进一步发展［17］，超表面 的出现使其发展出现了新的契机。Capasso 课题组 通过合理的设计存在径向相位突变分布的超表面 器件［14］，在通讯波长范围实现与锥面透镜有相同 作用的平面光学器件如图 6 所示。平面锥透镜示意 图如图 6( a) 所示，图中，DOF 为景深; PA 为平面 器件上具有特定相位突变的一点，其相位突变量 等效为锥面透镜上的 SA 点; β = tan － 1 ( r/DOF) ; r 为超表面器件半径。由广义折射定律可以知道相 位分布满足 ΦA ( x，y) = k0 x 2 槡 + y2 sinβ 。平面器件 汇聚的贝塞尔光束如图 6( b) 所示。 图 6 平面锥透镜与平面器件示意图 3． 2 超表面偏振片 由于超表面基于单元辐射对波束进行调控， 与波束的偏振态密不可分，所以相关研究者利用 这一特性，通过排布结构单元制成了四分之一波 片、线偏振转化器等平面偏振器，实现了线偏振向 圆偏振［18 － 19］、提高反射率的共极化向交叉极化转 化［6］等偏振态转变。 例如，在虞南方利用该结构单元辐射的有用 分量( 实现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，通过合理 排布结构单元，实现线偏振向圆偏振的转化［18］如 图 7 所示。 图 7 超表面四分之一波片示意图 该超表面由两个具有不同相位突变分布的子 单元构成( a 单元和 b 单元) ，两个子单元相位差恰 好为 π/2，辐射的反常折射分量恰好满足线偏振向 圆偏振转化条件。 3． 3 超表面实现涡旋光 涡旋光是一种等相位面呈螺旋状的光束，相 位因子为 exp( ilθ) ，其中 l 为拓扑荷数，每个光子 携带轨道角动量 L = hl ，可以应用于光学捕捉［20］、 光学通信［21］、STED 荧光显微镜等领域［22］。涡旋 光可以由空间波调制器、全息技术等实现，但自从 超表面诞生后，一些研究者纷纷利用超表面器件 产生涡旋光如图 8 所示［23 － 25］，对传统产生涡旋光 技术产生冲击。Patrice 等人通过合理排布角向结 构单元，控制相位突变量，产生涡旋光［23］。 图 8 中，量子级联激光器产生中红外波段 S 偏 振垂直入射激光，经分光器后一束经偏振器处理， 偏振方向旋转 90°用作相干光，一束由超表面处 理，产生等幅涡旋光。此超表面由 8 种子单元构 成，在角向可以实现相位突变 0 ～ 2π 连续变化。两 束光最终相干叠加，由中红外摄像仪记录其强度 分布。 图 8 超表面实现涡旋光示意图 3． 4 超表面实现波态转变 在国内，复旦大学周磊教授的课题组利用渐 变相 位 突 变 结 构 实 现 了 平 面 波向表面波的转 化［26］，该方案使用的结构单元见图 9。由“H”型金 属/介电材料层/金属平板组成的三明治结构，在 黄新朝等: 超表面研究进展 · 13 ·
·32 航空兵器2016年第1期 入射光的照射下，两层金属材料中会产生反向透 储等领域具备重要的应用价值。但是目前常用 导由语从而形成磁白前如图g4)所示。单元的尺 的棱镜耦合、周期沟槽耦合、拓扑缺陷耦合等耦合 寸元小于波长(120一1/8波长)，将金属多与底板 方式无法同时满足单向激发和小尺寸元件两个应 之间的耦合电流视为等效的均匀电流。精 调 用要求 。超表面诞生后，给SPPs耦合调控带来 金属条结构使出射波的相位沿x方向线性变化。 了新契机，一些研究者相继使用超表面调控手段实 于在这种作用机理中，最基本的是金属条与底板 现了SPPs的单向激发-。例如在Huang Lingling 之间的想合申流，想合申流之间的相位差别没有 等研究者的工作中四，在金属薄板上合理挂布矩形 物理原则上的限制，可以任意地被调控，故能够实 现任意角度的波東偏转甚至变成无法向外辐射的 孔，实现超表面相位梯度分布。每个开孔可以看成 局域表面波。不同尺寸结构单元贡献不同折射 由电偶极子和磁偶极子组成，在圆偏振垂直入射光 作用下，辐射与入射光螺旋方向一致的正常衍射光 如图9(b)所示。超表面实现反常反射示意图如图 波和与入射光螺旋方向相反的反常衍射光波。正常 9()所示。入射平面波转化为无辐射表面波如图9 衍射光波相位始终保持一致，不依赖于矩形孔的空 (d所示 间排布；反常衍射光波的相位依赖于矩形孔空间排 布， 存在相位梯度如图10所示 A (b) 图10超表面实现单向激发SP示意图 t>k diativ 该超表面由矩形开孔金属薄板和介质基板构 成，垂直入射圆偏振光入射到超表面上发生相对 法线对称的正常衔射(O)和不对称的反常衍射 (A),通过合理排布矩形开孔，可以实现只有一条 《>6 一级衍射光束激发SPPs。 3.6可控超表面器件 在超表面发展的初始阶段，研究者们就利用 图9平面被向表面波转化方案示意图 变容二极管探索可控超表面设计。最近可控超表 面器件被广泛研究，研究者们相缘提出温控 3.5超表面调控表面等离激元 光控切、电控超表面 尤其在电控超表面矿 在经典光学中，介质对光的折射、反射、行射 究上，超表面最初研究者虞南方根据石思烯电导 都可以由光的波动性解释，其产生原因均可以归结 率受电场影响的特性，预言了石思烯超表面的出 于介振子受外界光波服动再辐射散射)光波。对 于超表面的结构单元散射 同样可 ,而最近基于石墨烯的电控超表面果真被， 泛研究”-。例如Yu Yao等研究者利用石墨烯电 利用超表面实现遵行 广义衍射定律的反常衍射，可以应用到调控表面等 控招表面实现可控完美吸收。该结构设计为电 离海元上(Surface plasma polariton.SPpa)。 石墨烯超表面/损耗介质夹层/金属基板三明治结 表面等离激元来源于费米面附近导带电子受 构，厚度小于A10,见图11()，可以诱导超表面 外界电磁场驱动的集体振荡，这种集体振荡行为 结构与金属基板申谐振。通讨多次反射把光波闪 能有效的格电磁场能量转移为金属表面电子的 禁在损耗介质中，从而实现完全吸收。利用石 体振动能 ,产生表面等离激元的关键即为与 墨烯电导率受电压调制得特性，使得此完美吸收 外界光子耦合的过程，而光子单向激发表面等离 器可以在中红外较宽波段内工作。电压调控的工 激元在生物传感器、非线性光学、磁光存 作频点偏移见图11(b)。 994-2016 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.ne
入射光的照射下，两层金属材料中会产生反向诱 导电流从而形成磁响应如图 9( a) 所示。单元的尺 寸远小于波长( 1 /20 ～ 1 /8 波长) ，将金属条与底板 之间的耦合电流视为等效的均匀电流。精细调整 金属条结构使出射波的相位沿 x 方向线性变化。由 于在这种作用机理中，最基本的是金属条与底板 之间的耦合电流，耦合电流之间的相位差别没有 物理原则上的限制，可以任意地被调控，故能够实 现任意角度的波束偏转甚至变成无法向外辐射的 局域表面波。不同尺寸结构单元贡献不同折射率 如图 9( b) 所示。超表面实现反常反射示意图如图 9( c) 所示。入射平面波转化为无辐射表面波如图 9 ( d) 所示。 图 9 平面波向表面波转化方案示意图 3． 5 超表面调控表面等离激元 在经典光学中，介质对光的折射、反射、衍射 都可以由光的波动性解释，其产生原因均可以归结 于介质振子受外界光波驱动再辐射( 散射) 光波。对 于超表面的结构单元散射外界光波的作用，同样可 以推广得到广义衍射定律［35］。利用超表面实现遵循 广义衍射定律的反常衍射，可以应用到调控表面等 离激元上( Surface Plasma Polariton，SPPs) 。 表面等离激元来源于费米面附近导带电子受 外界电磁场驱动的集体振荡，这种集体振荡行为 能有效的将电磁场能量转移为金属表面电子的集 体振动能［27 － 28］。产生表面等离激元的关键即为与 外界光子耦合的过程，而光子单向激发表面等离 激元在生物传感器［29］、非线性光学［30］、磁光存 储［31］等领域具备重要的应用价值。但是目前常用 的棱镜耦合、周期沟槽耦合、拓扑缺陷耦合等耦合 方式无法同时满足单向激发和小尺寸元件两个应 用要求［32］。超表面诞生后，给 SPPs 耦合调控带来 了新契机，一些研究者相继使用超表面调控手段实 现了 SPPs 的单向激发［32 － 34］。例如在 Huang Lingling 等研究者的工作中［32］，在金属薄板上合理排布矩形 孔，实现超表面相位梯度分布。每个开孔可以看成 由电偶极子和磁偶极子组成，在圆偏振垂直入射光 作用下，辐射与入射光螺旋方向一致的正常衍射光 波和与入射光螺旋方向相反的反常衍射光波。正常 衍射光波相位始终保持一致，不依赖于矩形孔的空 间排布; 反常衍射光波的相位依赖于矩形孔空间排 布，存在相位梯度如图 10 所示。 图 10 超表面实现单向激发 SPPs 示意图 该超表面由矩形开孔金属薄板和介质基板构 成，垂直入射圆偏振光入射到超表面上发生相对 法线对称的正常衍射( O) 和不对称的反常衍射 ( A) ，通过合理排布矩形开孔，可以实现只有一条 一级衍射光束激发 SPPs。 3． 6 可控超表面器件 在超表面发展的初始阶段，研究者们就利用 变容二极管探索可控超表面设计。最近可控超表 面器件被广泛研究，研究者们相继提出温控［36］、 光控［37］、电控超表面［38 － 40］。尤其在电控超表面研 究上，超表面最初研究者虞南方根据石墨烯电导 率受电场影响的特性，预言了石墨烯超表面的出 现［2］，而最近基于石墨烯的电控超表面果真被广 泛研究［39 － 41］。例如 Yu Yao 等研究者利用石墨烯电 控超表面实现可控完美吸收。该结构设计为电控 石墨烯超表面/损耗介质夹层/金属基板三明治结 构，厚度小于 λ /10，见图 11( a) ，可以诱导超表面 结构与金属基板电谐振，通过多次反射把光波囚 禁在损耗介质中，从而实现完全吸收［39］。利用石 墨烯电导率受电压调制得特性，使得此完美吸收 器可以在中红外较宽波段内工作。电压调控的工 作频点偏移见图 11( b) 。 · 23 · 航空兵器 2016 年第 1 期