激光器及其应用（一】 LASERS AND APPLICATION 新型激光加工工艺及材料 NEW PROCESSINGS AND MATERIALS 光学超材料的最新进展 ■张检发国防科学技术大学光电科学与工程学院 1超材料的名称由来与2光学超材料的发展历程与现状 特性 超材料最早是用来实现负折射率的，因而也常 在过去的十多 常被称为“负折射材料”或者“左手材料”冈。早 年中，超材料研究引 在1968在的时候.，前苏联科学家Victor veselago 起了全世界的广泛关 就从理论上研究了光在负折射率材料中的传播行 注。超材料的英文名为 为。要实现负的折射率，需要材料的介电常数和秘 metamaterial" 今 导率同时为负数。负的介电常数可以由金属得到， 中“meta"是一个源自 但自然材料的光学磁性却非常弱，几乎所有材料的 希腊语的前缀，意为“超 光学磁导率都接近于1。由于无法从实验上得到具 越”，而“material'"是“材 有负折射率的材料，Veselago的研究在几十年中 料”的意思。因此，顾名思义，超材料是一种非同 很少被人问津。直到近30年后，英国帝国理工大 一般的新型材料。 学的John Pendry等人，提出了一种叫做“swiss 超材料有很多种，如电磁超材料、声学超材料 o”(瑞士蛋糕卷)的结构，这种结构能够与电磁 热学超材料等。而电磁超材料，根据其工作的电磁 波的磁场产生共振 从而在特定的频率范围内实现 频谱范围，也可以分为微波超材料、太赫兹超材料、 负的磁导率。2000年，Pendry发表了一篇里程碑 光学超材料等。在有些情况下，人们把太赫兹超材 式的论文，提出利用负折射材料可以实现完美透镜 料归为光学超材料。光学超材料是一种由尺度小于 （如图1b)】。2001年，美国加州大学圣洪戈分校 光波波长（即亚波长）的结构单元组成，具有自然 一个研究小组，首次利用超材料在实验室实现了 界材料所没有的新颖光学特性的人工结构材料 负折射率。由此在全世界掀起了超材料研究的热潮 由于结构单元的尺度小于（通常是远小于】入射 b】 光的波长，光与超材相互作用时，无法辨别出单 个人工结构单元，因而就像是作用在一个均匀材 上一样。同时，这些结构单元能够与光的电场或者 磁场发生相互作用（共振），产生有数的光学个电 常数或者磁导率，而正是这两个参数，决定了材料 所拥有的光学性质。通过设计这些共振单元，就能 国1(@早期的封树镜控贾绳裙的提出的基于负 够灵活的改变光学超材料的光学特性，就好像人们 能够自由的设计自然材料的原子分子结构那样（如 超材料对光的操控还不仅干此。通过改变不 图1(a)。因而超材料具有自然材料所没有的控制 同位置的人工结构单元的构造，可以让超材料的光 光的能力，被誉为“光的征服者(The masters of 学性质随空间位置而改变。如果能够任意的设计材 料在不同空间坐标位置的光学参数（介电常数和磁 导率)，那么理论上就可以随心所欲的控制光在超 30 光电产品与资讯2015.3
LASERS AND APPLICATION: 光器及其应用（一 NEW PROCESSINGS AND MATERIALS 新型激光加工工艺及材料 材料中的传输，如折射、反射、聚焦、成像等， 面提到的负折射、完美透镜、隐身衣外，还有人 进而也就可以设计各种光学功能器件。为此，人 手性、超高折射率、双曲色散、完美吸收等。提到 们发展出来一种叫做“变换光学(transformation 光学超材料，就不得不提到表面等离激元(surface 0Dtcs)”的理论用来设计和描述光在这种结构和 plasmons)。表面等离激元是一种存在于导体与介 光学性质随空间变化的光学超材料中的传输。变换 质交界面的电子集体振荡模式。绝大部分光学超材 光学最广为人知的成果，同时也是最薯名的光学 料都是由金、银、铝等贵金属构成的，这些金属石 超材料器件之一，就是所谓的“隐身衣(invisibility 光波段都可以激发表面等离激元，而超材料的性质 coak)”(如图2(a))。2006年，Leonhardt和 也往往和金属表面等离激元密切相关。表面等离激 Pendry、Schurig、Smith等人，分别独立提出了 元的敷发，特别是在特定的波长产生局域共振，可 光学隐身衣的理论。隐身衣由结构参数经过巧妙设 以实现对光的局域和局部的场增强，大大的增强光 计的超材料构成。当外部光线照射到隐身衣上时： 与物质相互作用。其中，基于干涉效应的Fano共 会绕过其包裹的物体继续沿原来的路径传播，既不 振尤为引人注目。Fan0共振具有较高的品质因子 散射光，也不吸收光，因而可以使得里面的物体无 可以用于增强各种线性和非线性光学现象，在非线 法被观察或者探测到 性光学、光电探测、传感等领域具有潜在的应用价值 微纳加工技术的进步在光学超材料的发展中发 光学超材料面临的一个重要的问题，是金属材 挥了重要的作用。最早的超材料，包括前面提到的 料的吸收损耗。吸收损耗对于光学超材料的性质会 负折射率超材料和光学隐身衣都是在微波频率段实 造成严重的影响，如使得实际上的“完美诱镜”并 现的。这是因为微波的波长远远大于光波，因此其 不完美，严重地降低了成像质量，而隐身衣也无法 亚波长结构单元的加工也要容易得多。随若光刻、 达到理想的隐身效果。解决材科吸收损耗的途径之 激光吉写、申子束光刻、聚焦离子束等技术的发展 是引入增益材料进行能量补偿。在这方面，人 和应用，人们很快将超材料的工作波长拓展到了太 们开展了大量的研究工作，但仍然面临诸多挑战。 赫兹、红外和可见光波段。计算电磁学的发展和电 另外一个途径，是寻找损耗更低的材料来制作光学 超材料。近年来，人们在低损耗表面等离激元材料 (b) 方面开展了大量研究，并试图用其取代金、银等金 属材料用于光学超材料的构建，而介质超材料的研 究也吸引了越来越多的关注。介质光学超材料通常 由硅、锗等高折射率的半导体材料构成，利用介质 纳米结构的Mie共振和耦合效应，同样可以实现光 图2()基于光学超材料的三维隐身衣示意图；（他）基于 学超材料的一些功能，如Fano共振、相位控制 光学超材料的宽带圆起偏器 光学磁性以及负析射等。相比于金属材料，介质材 磁仿直钦件的普及，对干光学超材料的研密同样起 料的本征吸收损耗低，可以实现更高的共振品质因 到了巨大的推动作用。在过去的十年中，许多基于 有限时域美分、有限元分析等数值计算方法的商业 近年来得到广泛关注的明犀材料石墨烯，同样 软件和开源软件得到了大规模的应用，被广泛应用 在光学超材料中得到了应用。尽管只由一层碳原子 于光学超材料的设计和分析 组成，经过掺杂的石墨烯可以支特中远红外和太赫 随着光学超材料研究的深入，其概念也远远 兹波段的表面等离激元。石墨烯表面等离激元与金 超出了最初“负折射材料”的范畴。人们不断的探 属表面等离激元有很多相似之处，如波长小于光在 索利用超材料来实现一些新颖的物理性质，除了前 真空中的波长、可以实现局部场增强等。除此之外 光电汇www.oeshow.net31
激光器及其应用（一） LASERS AND APPLICATION 新型激光加工工艺及材料 NEW PROCESSINGS AND MATERIALS 石墨烯表面等离激元相比金属来说损耗更小，波长 烯超材料也是一种理想的可调光学超材料，可以用 更短，而且可以通过外部电场进行调节。将石墨烯 于实现中红外到太赫兹颜率范围内的可调完美吸收 加工成微纳结构之后可以作为平面（二维）光学超 器、偏振器、滤波器、调制器等光学元器件（如图 材料，通过表面等离激元的激发实现一些新颗的光 3b)】。 学特性，对光的振幅、相位或者信振进行控制 光学超材料在红外和太赫兹波段可能率先得到 在超材料的基础上，人们又提出了所谓的“超 表面(netasurface)”。超表面可以视为一种平 面超材料，主要利用平面上的亚波长结构共振单元 对光的反射或者透射相位进行控制，从而控制光的 传输。2011年，哈佛大学一个研究小组提出利用 超表面产生的相位突变，可以拓展光的反射和折射 的调 定律，并产生一些奇异的反射和透射现象，如可以 任意的控制反射角和透谢角，甚至让反射光或者透 射光与入射光位于法线的同一侧。由此激发了光学 应用。在中远红外波段，传统的光学材料选择范围 超表面研究的热潮。 有限。红外光学元件不仅价格昂责，而且光学性质 机械性质等还存在诸多不足。太赫兹波段尝经被称 3光学超材料的应用 为所谓的“太赫兹空白”，虽然近年来太赫兹研究 随若光学超材料中各种新频物理现象和效应 取得了长足的进展，但高性能的太赫兹光学元件还 的发现，基于光学超材料的器件和应用研究也吸 是十分匮乏。光学超材料在中远红外和太赫兹波段 着越来越多的兴趣，甚至还有人提出了“超器件 正好大有可为。目前限制光学超材料应用的两个主 (metadevice)”的概念m,利用超材料对光的偏振 要因素是加工和损耗。在中远红外和太赫兹波段 相位和振幅等方面的超常控制能力可以实现一些新 金属材料的损舞相对较小，还可以使用半导体材料 的光学元件，如宽带的圆偏振器（如图2b)、新 或者石墨烯等取代金属材料，而且可以使用成熟的 型完美吸收器、光学磁镜以及基于光学超表面的无 光刻技术或近年来发展非常讯速的三维激光直写技 相差平面透镜等。基于光学超材料，特别是平面光 术进行加工，这为超材料器件的应用提供了可能。 学超材料和超表面的光学元件，可以极大地减小传 在近红外和可见光波段，光学超材料的大规模应用 统光学元件的体积和重量，从而更加有利于小型化 则还有待于能够实现低成本、大规模制作同时精度 和集成化。同时，通过改变超材料结构单元的尺寸， 又能够满足要求的纳米加工技术的发展。 可以使其工作在不同的波段。在器件研究中，可调 光学超材料有着独特的地位。将光学超材料与具 4总结与展望 有可调光学性质的电光、磁光、非线性等材料结合 光学超材料是过去十多年来物理学前沿研究领 起来，或将光学超材料与具有可形变的微纳机械结 域最活跃的课题之一。光学超材料的一系列物理 构结合在一起，就可以构成可调光学超材料（如图 念和新颖现象极大地拓展了人们的思维，使人们在 3(a)】。可调光学超材料可以通过施加外部信号， 认识光与物质相互作用上有了很大的突破，不再受 如电场、磁场、激光辐射等，改变超才料的光学性 传统材料的光学性质所局限，能够自由的想象和设 质。可调光学超材料，特别是可调平面光学超材料 计具有特定光学性质的材料。并且光学超材料研究 在光开关、调制器等各种主动光子器件方面具有重 还和物理学其他前沿的研究领域如拓扑材料、量子 要的应用价值。由于石墨烯的可调光学特性，石墨 光学等不断相互融合。超材料不仅在科学界引起了 32 光电产品与讯2015,3
LASERS AND APPLICATION: 光器及其应用（一 NEW PROCESSINGS AND MATERIALS 新型激光加工工艺及材料 广泛的研究兴趣，同时在普通公众中也产生了重要 和太赫兹技术中扮演重要角色 的影响，完美透镜、隐身衣等概念已为很多人所熟 知。光学超材料的发展，促进了材料、纳米、化学 参考文 1.Heber J.T 物理、机城等学科间的交叉融合，对微纳加工技术 e masters of light[J].Nature Milestones,2010. ndry,J.B.,and D.R.Sm 和计算电磁学的发展也起到了很大的推动作用。随 ener M and S Linden Sha 着研究的深入，光学超材料也逐渐从基础研究走向 ing optical space with 应用。尽管受到加工工艺、吸收损耗、工作频率带 amaterials[J).Phys.Today,2010.63:32-36. 宽等的影响，完美透镜、隐身衣等器件离实际应用 2010.ahead for met rials Science, 6. 长检发 ,袁晓东，率石乔.可调太赫兹与光学超材树心中国光 还有很大距离，但一些基干光学超材料的器件仍然 ,2014,7:349-364 展示出独特的优势和良好的应用前景，其发展可能 引起一些光学元件和光学系统的变革，在未来光学 盘点 2014年搜索热词T0P3 2014年，用户在中国光学期刊网上使用了75351个关键词检索，我们以光学人在中国光 学期刊网的授索行为为依托，不设专家评委，不进行线上投票， 完全以检索使用的关键词数 量统计，盘，点2014年擅索热词TOP3。 TOP1激光 TOP2光纤 TOP3 LED 激光最初的中文名叫 光纤是光导纤维的简 2014年，诺贝尔物甲 做“镭射” “莱寒 写，是一种由玻璃或塑料制 学奖由发明蓝光LED的3 是钱学森老前辈将他正名 成的纤维，可作为光传导工 位科学家共享。理由是他们 为激光，并刊发在《激光与 具。传输原理是“光的全反 发明了节能环保的“高亮度 光电子学进展》的刊物上。 射”。2009年，光纤之父 蓝色发光二极管” ,使推出 它的英文名称LASER,英 高银获得诺贝尔物理学奖 新型LED灯泡、替代耗能 文全称Light Amplification 如今，在4G、信息消费等 更大的白炽灯成为可能，这 by Stimulated Emission o 市场的激下，今年光红光 一发明引发了照明科技的根 Radiation。意思是 “通过 缆市场仍将保持增长态势。 本性转变。 受激辐射光扩大” 光电汇www.oeshow.net 33