超表面的电磁特性研究进展/周 霞等 ·49 超表面的电磁特性研究进展 周霞，汪会波，董建峰 (宁波大学信息科学与工程学院，宁波315211) 摘要 超表面由于具有自然界不存在的独特电熊特性西引起了人们极大的兴，它是占有更少物理空调，提 Research Advances of Electromagnetic Properties of Metasurfaces ZHOU Xia,WANG Huibo,DONG Jianfeng (College of Information Science and Engineering.Ningbo University.Ningbo 315211 Abstract Metasurfaces have attracted great attention due to its uniqueeleomaeticproperties unseen in the and it is a kind netamaterial which takes up less physical space.offers reduce d losses and is easier cate re briefly introduced esearch progress on simul aimin 0引言 1超表面基本概念 对于许多光学系统来说，光的极化控制至关重要[门，通 光学上薄的超材料层称为超表面，其厚度和周期都比周 常由偏垠器和介质波片来实现，但因其体积过大而无法话用 围媒介中的电磁波波长小。根据定义，超表面分为两个重要 于纳米光子系统，所以近几年来超材科和超表面的提出、应 的子类，分别是招德骥(Metafilms)和超居（detascreens) 超薄膜指的是一群分离（非接触）的散射体，如图1()所示， 而有着类叙于“渔网”结构的超表面则称为超屏，如图1(b)所 gp,PBG)结构和频率选择表面(Frequency 示，在相对坚固的表面周期排列着同隔的孔径。 select faces,FSS)等，它们是非传统的周期性排列合成材料，通过可 控方式来操纵光以获得自然界不存在的光学性能如负折躬 率、光磁性、百大的至征性竿。超表面相当手二精超流超材 料，它在亚波长尺度允许极化控制和波前控制，并展现出 88888 种特别的电磁响应能力一司。相比于大部分超材料来说，超 表面占有币少的物理空间，可以避角大的损，话合在 图】超海膜结构()和超屏结构(b 片上应用，并且更容易被制造生产，很多报道已经证明了超 structures (b 表面有较高的调谐能力和较好的动控制能力 由于超表面比金三雏超材料结构占有更少的物理空间， 绍超表而的概念，然后对近年来超表面结构在微波段，太 所以在很多应用上可以取代超材料。近几年来超表面结构 兹波段以及光频段的应用研究发展从理论分析，数值仿真和 被提出并证实存在新型的极化效应如不对称传输-切、巨大 实验研究等方面进行综述。 的旋光效应等，使它在微波段，太赫兹波段甚至是光频 贵国室白峡起装其4(6147507自) 周霞：女，1989年生，硕士生，研究方向为超表面的不对称传输E-mail:549754831@q4.c0m汪会波：男，1989年生，硕士生，研 究方向为腿材料的不对称传输E-mail:1418439745@q4.c0m董建峰：通讯作者，男，1964年生，博士，教授，博士生学师，从事负 折射率材料，手在介质流导等方面的研究E-mail:dongiianfen@nbu.elu.cm 004.201 China nal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
超表面的电磁特性研究进展＊ 周 霞，汪会波，董建峰 （宁波大学信息科学与工程学院，宁波 ３１５２１１） 摘要 超表面由于具有自然界不存在的独特电磁特性而引起了人们极大的兴趣，它是占有更少物理空间，提 供更小损耗，更容易被制造的一类超材料。简要介绍了超表面的概念和背景，并着重阐述了超表面结构在微波段、太 赫兹波段以及光频段的模拟计算及实验研究进展。这些超表面在微波、光波、光电子器件中具有潜在的应用价值。 关键词 超表面 超材料 不对称传输 圆极化波 线极化波 中图分类号：Ｏ４４１；ＴＢ３３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１１８９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０２３Ｘ．２０１６．０１３．００８ ＲｅｓｅａｒｃｈＡｄｖａｎｃｅｓｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＭｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ ＺＨＯＵ Ｘｉａ，ＷＡＮＧ Ｈｕｉｂｏ，ＤＯＮＧＪｉａｎｆｅｎｇ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｉｎｇｂｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５２１１） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｈａｖｅａｔｔｒａｃｔｅｄｇｒｅａｔａｔｔｅｎｔｉｏｎｄｕｅｔｏｉｔｓｕｎｉｑｕｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｕｎｓｅｅｎｉｎｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌｗｏｒｌｄ，ａｎｄｉｔｉｓａｋｉｎｄｏｆｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｗｈｉｃｈｔａｋｅｓｕｐｌｅｓｓｐｈｙｓｉｃａｌｓｐａｃｅ，ｏｆｆｅｒｓｒｅｄｕｃｅｄｌｏｓｓｅｓａｎｄｉｓｅａｓｉｅｒｔｏ ｂｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ．Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔａｎｄｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｏｆｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓａｒｅｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｓｉｍｕｌａ－ ｔｉｏｎｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｈｒｏｕｇｈｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｍｉｃｒｏｗａｖｅ，ｔｅｒａｈｅｒｔｚｂａｎｄｓａｎｄｏｐｔｉｃａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｒｅｒｅ－ ｖｉｅｗｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ａｉｍｉｎｇｔｏｒｅｖｅａｌｔｈｅｓｅｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ′ｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｍｉｃｒｏｗａｖｅ，ｏｐｔｉｃａｌａｎｄｐｈｏｔｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ，ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｗａｖｅ，ｌｉｎｅａｒｌｙｐｏｌａ－ ｒｉｚｅｄｗａｖｅ ＊国家自然科学基金（６１４７５０７９） 周霞：女，１９８９年生，硕士生，研究方向为超表面的不对称传输 Ｅ－ｍａｉｌ：５４９７５４８３１＠ｑｑ．ｃｏｍ 汪会 波：男，１９８９年生，硕 士 生，研 究方向为超材料的不对称传输 Ｅ－ｍａｉｌ：１４１８４３９７４５＠ｑｑ．ｃｏｍ 董建峰：通讯作者，男，１９６４年生，博士，教授，博士生导师，从事负 折射率材料、手征介质波导等方面的研究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｏｎｇｊｉａｎｆｅｎｇ＠ｎｂｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ０ 引言 对于许多光学 系 统 来 说，光 的 极 化 控 制 至 关 重 要［１］，通 常由偏振器和介质波片来实现，但因其体积过大而无法适用 于纳米光子系统，所以近几年来超材料和超表面的提出、应 用引起了人们广泛的关注［２－５］。在电磁学中，超材料和超表 面不是指一些传统的周期结构如光子带隙（Ｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄ－ ｇａｐ，ＰＢＧ）结构和频率选择 表 面 （Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｅｌｅｃｔｉｖｅｓｕｒ－ ｆａｃｅｓ，ＦＳＳ）等，它们是非传统的周期性排列合成材料，通过可 控方式来操纵光以获得自然界不存在的光学性能如负折射 率、光磁性、巨大的手征性 等。超表面相当于二维超薄超材 料，它在亚波长尺度允许极化控制和波前控制，并 展 现 出 一 种特别的电磁响应能力［６－８］。相比于大部分超材料来说，超 表面占有更少的物理空间，可以避免 大 的 损 耗，更 适 合 在 芯 片上应用，并且更容易被制造生产，很多报道已经证明了超 表面有较高的调谐能力和较好的动态控制能力。本 文 先 介 绍超表面的概念，然后对近年来超表面结构在微波段、太 赫 兹波段以及光频段的应用研究发展从理论分析、数值仿真和 实验研究等方面进行综述。 １ 超表面基本概念 光学上薄的超材料层称为超表面，其厚度和周期都比周 围媒介中的电磁波波长小。根据定义，超表面分为两个重要 的子类，分 别 是 超 薄 膜 （Ｍｅｔａｆｉｌｍｓ）和 超 屏 （Ｍｅｔａｓｃｒｅｅｎｓ）。 超薄膜指的是一群分离（非接触）的散射体，如图１（ａ）所示， 而有着类似于“渔网”结构的超表面则称为超屏，如图１（ｂ）所 示，在相对坚固的表面周期排列着间隔的孔径。 图１ 超薄膜结构（ａ）和超屏结构（ｂ） Ｆｉｇ．１ Ｍｅｔａｆｉｌｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ（ａ）ａｎｄｍｅｔａｓｃｒｅｅｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ（ｂ） 由于超表面比全三维超材料结构占有更少的物理空间， 所以在很多应用上可以取代超材料。近几年来超表面结构 被提出并证实存在新型的极化效应如不对称传输［９－１２］、巨大 的旋光效应［１３，１４］ 等，使它在微 波 段、太赫兹波段甚至是光频 超表面的电磁特性研究进展／周 霞等 ·４９·
·50· 材科导报A:综述篇 2016年7月(A)第30卷第7断 段的应用都特别广泛 依次从开口位置1到8模拟仿真互补不对称开口谐振环的 2微波段超表面的应用 和插入 开 数波段的超表面结构尺寸大多都在毫米量级，因此其 低于50但内插损耗很 工制造和 对比较简单 自从表面被发现在在 理设计开口的位置可以得到 研究小组对超表面结构的应用进 员耗的结构 系的理论值仿直和实珍珍证 提出一种基于巴比湿原理的超表面设计方法，他们使用厚5 ,周期为8mm的组片制成补开口报环(。 nators,CSRR)结构，并将其周期性地排列 在厚度为0.49mm的低损耗基底上（见图2，灰色部分是俄 相目.三0mm三0mm.三35mm从仿和 验两个方面证明了在一种普通金属板上蚀刻互补开口诺振 结构的方法可以得到具有特殊电磁传输特性的超表面】 y 230.2 363 SRR Fig.4 es (ab)and result CSRE 图2开口谐振环和互补开口诺振环四 (e)proposed by Gordon eta Fig.2 Geometries of split-ring resonators(SRR)and CSRR Fedotov等t为了降低辐射损托提出了不对称开口谐振 环超表面，证明了在微波段可实现高品质因数。随后，1b m等)也利用不过弦开口普报环（图3(。）资仙部分为厚 17m的镀铜层)的巴比涅原理得到互补不对称开口谐振环 结构，进一步获得高品质因数和低损耗的性能图3(b)表示 c] Fig.5 Bilave d)the sin lat and measured asymmetric 招表面有许名代占，但也存在一些不显，G0rdn 现了超表面的工作類段很窄并以此为特点提出了以电稠合 振腔（见图4()为组成部分的流体可控超表面（见图 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
段的应用都特别广泛。 ２ 微波段超表面的应用 微波段的超表面结构尺寸大多都在毫米量级，因此其加 工制造和实验验证相对比较简单。自从超表面被发现存在 奇特电磁性能以后，各个研究小组对超表面结构的应用进行 了一系列的理论研究、数值仿真和实验验证。Ｆａｌｃｏｎｅ等［１５］ 提出一种基于巴比涅原理的超表面设计方法，他们使用厚３５ μｍ、周期为８ｍｍ 的铜片制成互补开口谐振环（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎ－ ｔａｒｙｓｐｌｉｔ－ｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ，ＣＳＲＲ）结构，并将其周期性地排列 在厚度为０．４９ｍｍ 的低损耗基底上（见图２，灰色部分是镀 铜层，ｃ＝０．４ｍｍ，ｄ＝０．４ｍｍ，ｒｅｘｔ＝３．５ｍｍ）。从仿真和实 验两个方面证明了在一种普通金属板上蚀刻互补开口谐振 结构的方法可以得到具有特殊电磁传输特性的超表面。 图２ 开口谐振环和互补开口谐振环［１５］ Ｆｉｇ．２ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓｏｆｓｐｌｉｔ－ｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ（ＳＲＲ）ａｎｄＣＳＲＲ［１５］ Ｆｅｄｏｔｏｖ等［１６］ 为了降低辐射损耗提出了不对称开口谐振 环超表面，证明了在微波段可实现高品质因数。随 后，Ｉｂｒａ－ ｈｅｅｍ 等［１７］ 也利用不对称开口谐振环（图３（ａ）深色部分为厚 １７ μｍ 的镀铜层）的巴比涅原理得到互补不对称开口谐振环 结 构，进一步获得高品质因数和低损耗的性能。图３（ｂ）表示 图３ Ｉｂｒａｈｅｅｍ 等提出的超表面结构（ａ）以及模拟 仿真结构（ｂ）［１７］ Ｆｉｇ．３ Ａ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ａ）ａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓ（ｂ） ｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙＩｂｒａｈｅｅｍｅｔａｌ［１７］ 依次从开口位置１到８模拟仿真互补不对称开口谐振环的 品质因数和插入损耗值，结果表明当开口位置处于１时品质 因数高达３００但是内插损耗很大，开口位置处于８时品质因 数低于５０但内插损耗很小。他们用数值仿真方法证明了合 理设计开口的位置可以得到一种较高品质因数且较低插入 损耗的结构。 图４ Ｇｏｒｄｏｎ等提出的流体可控超表面（ａ、ｂ） 以及实验结果（ｃ）［１８］ Ｆｉｇ．４ Ｆｌｕｉｄ－ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｓｕｒｆａｃｅｓ（ａ，ｂ）ａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ （ｃ）ｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙＧｏｒｄｏｎｅｔａｌ［１８］ 图５ Ｓｈｉ等提出的双层手征超表面（ａ、ｂ、ｃ、ｄ），不对称 传输参数的仿真及实验结果（ｅ）［２１］ Ｆｉｇ．５ Ｂｉｌａｙｅｒｃｈｉｒａｌｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ（ａ，ｂ，ｃ，ｄ），ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒΔｙ （ｅ） ｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙＳｈｉｅｔａｌ［２１］ 超表面有许多优点，但也存在一些不足，Ｇｏｒｄｏｎ等［１８］ 发 现了超表面的工作频段很窄并以此为特点提出了以电耦合 谐振腔（见 图４（ａ））为组成部分的流体可控超表 面（见 图 ４ ·５０· 材料导报 Ａ：综述篇 ２０１６年７月（Ａ）第３０卷第７期
超表面的电磁特性研究进展/周 51 ))。他们通过高频结均伤直器模拟直该结在被 实现线极化波的不对称传输。图6(a)为设计的多层结构，诊 段的据率，进 一步用实验验证 结构由2个光栅极化器A,B和中何的 征超材 图4()表示加去离子水和不加去离子水时的共根频率分别 )为传给系数的模担伤直和牢验结果图，可观到在北 控制共振频率点的位置，并且可调谐频率范围为150MH2 领离处正。方华的 极化波透光率很高，但其余传 这种方法可以应用在制业，工业，生物医学和化学工艺中 系数都很低。他们的仿真和实验结果都证明了该三层超 006年，B单(】田单口超岁而结均若次空0不付 面结构可以获得线极化波的较高不对称传输率， 称传输，认为不对称传输是由干超表面与电磁波相互作用引 在微波段，多层手征超表面结构可以应用在极化旋转器 起的，并且与入射波的方向有关。在之后的超表面应用研究 上，Pfeiffer等[提出了一种设计极化炭转器的系统方法，在 过程中，各个研究小组所提出的基本都是单层结构，而W: 传统三层结构的基础上增加一层来加大带宽，减少损耗（见 第到首次想出的双层毛征结构相材料实现了圆极化被不对 图())。图7)中实线和虚线分别表示实眙极据和仿直制 称传输，Si等)在此基础上提出更薄的双层超表面结构（见 据，可见两者之间存在0.20GHx的频移（由制造误差引起） 图5())以实现线极化被的不对称传给。图5()深色部分是 图7(b)表明交叉极化（旋转）传输系数接近于0B且与线极 厚35m的博国只，前后两层结构相同且共轴但品后层比的 化波的入射角度无关。 层旋转90°，图5(e)表示的是y极化波从正向及反向垂直通 过此超薄超表面时的不对称参数△y,该仿真和实验结果表 63刀 明了在4一12GHz工作频段中存在3个不对称的传输峰，其 中在最大谐振频率(8,49GH2)附近，正向传输的y极化波最 大不对称传输率达到88%，很好地证明了线极化波在该结构 存在不对称传输性， 与此同时，等可提出了一种多层金属超表面结构米 1.0 0.8 0.6 10.3 04 图7极化旋转器的单元结构图(a)和正向传输系数图(b)回 0.0l /CH. schematic for transmission in thedirection( e 3太赫兹波段超表面的应用 实现太林兹波段的超表面结构尺寸常常在微米量级，其 加工制造具有一定的难度，通常采用光刻技术或电子束光刻 技术来实现相应的模型。 很多报道已经证明了太赫兹超表面有较高的调谐能力、 10 较低的损耗和较好的动态控制能力，Padilla等a四第一次提 图6多层金祸结的的本元份真结果( 出了以镀铜开口谐振环为单元结构的动态可控超表面，它是 利用近红外激光增加超表面基底GaA“的电导率米关闭基频 ed strueture unit cell ca). 诺振，同时改变超表面的宏观响应。随后Chen等用短载 simulated results (h)and m 流子券命半导体也实现了快速调制的功能。2O09年Chen 1994-2018 China Aeademie Joumal Electronic Publishing House rights reserved. http://www.cnki.ne
（ｂ））。他们通过高频结构仿真器来模拟仿真该结构在 Ｓ波 段的共振频率，并进一步用实验验证了共振频率的一致性。 图４（ｃ）表示加去离子水和不加去离子水时的共振频率分别 为３．６ＧＨｚ和３．７ＧＨｚ，实验证明在超表面上可以用流体来 控制共振频率点的位置，并且可调谐频率范围为１５０ ＭＨｚ。 这种方法可以应用在制造业、工业、生物医学和化学工艺中。 ２００６年，Ｆｅｄｏｔｏｖ等［１９］ 用单层超表面结构首次实现不对 称传输，认为不对称传输是由于超表面与电磁波相互作用引 起的，并且与入射波的方向有关。在之后的超表面应用研究 过程中，各个研究小组所提出的基本都是单层结构，而 Ｗｕ 等［２０］ 首次提出的双层手征结构超材料实现了圆极化波不对 称传输，Ｓｈｉ等［２１］ 在此基础上提出更薄的双层超表面结构（见 图５（ｃ））以实现线极化波的不对称传输。图５（ｃ）深色部分是 厚３５μｍ 的镀铜层，前后两层结构相同且共轴但是后层比前 层旋转９０°。图５（ｅ）表示的是ｙ极化波从正向及反向垂直通 过此超薄超表面时的不对称参数 Δｙ，该仿真和实验结果表 明了在４～１２ＧＨｚ工作频段中存在３个不对称的传输峰，其 中在最大谐振频率（８．４９ＧＨｚ）附近，正向传输的ｙ极化波最 大不对称传输率达到８８％，很好地证明了线极化波在该结构 存在不对称传输性。 与此 同 时，Ｌｉ等［２２］提出了一种多层金属超表面结构来 图６ 多层金属结构的基本单元（ａ）、仿真结果（ｂ） 和实验结果（ｃ）［２２］ Ｆｉｇ．６ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓｆｏｒｔｈｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｉｔｃｅｌｌ（ａ）， ｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓ（ｂ）ａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓ（ｃ）［２２］ 实现线极化波的不对称传输。图６（ａ）为设计的多层结构，该 结构由２个光栅极化器 Ａ、Ｂ和中间的超薄手征超材料板组 成，两者间隔ｄ为１ｍｍ，金属（铜）线厚为３０μｍ。图６（ｂ）、 （ｃ）为传输系数的模拟仿真和实验结果图，可观察到在共振 频率处，正ｚ方向传播的ｘ 极化波透光率很高，但其余传输 系数都很低。他们的仿真和实验结果都证明了该三层超表 面结构可以获得线极化波的较高不对称传输率。 在微波段，多层手征超表面结构可以应用在极化旋转器 上，Ｐｆｅｉｆｆｅｒ等［２３］ 提出了一种设计极化旋转器的系统方法，在 传统三层结构的基础上增加一层来加大带宽、减 少 损 耗（见 图７（ａ））。图７（ｂ）中实线和虚线分别表示实验数据和仿真数 据，可见两者之间存在０．２０ＧＨｚ的频移（由制造误差引起）。 图７（ｂ）表明交叉极化（旋转）传输系数接近于０ｄＢ且与线极 化波的入射角度无关。 图７ 极化旋转器的单元结构图（ａ）和正向传输系数图（ｂ）［２３］ Ｆｉｇ．７ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｒｏｔａｔｏｒｕｎｉｔｃｅｌｌ（ａ）ａｎｄ ｓｃｈｅｍａｔｉｃｆｏｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｔｈｅ＋ｚｄｉｒｅｃｔｉｏｎ（ｂ）［２３］ ３ 太赫兹波段超表面的应用 实现太赫兹波段的超表面结构尺寸常常在微米量级，其 加工制造具有一定的难度，通常采用光刻技术或电子束光刻 技术来实现相应的模型。 很多报道已经证明了太赫兹超表面有较高的调谐能力、 较低的损耗和较好的动态控制能力。Ｐａｄｉｌｌａ等［２４］第一次提 出了以镀铜开口谐振环为单元结构的动态可控超表面，它是 利用近红外激光增加超表面基底 ＧａＡｓ的电导率来关闭基频 谐振，同时改变超表面的宏观响应。随后 Ｃｈｅｎ等［２５］用短载 流子寿命半导体也实现了快速调制的功能。２００９年 Ｃｈｅｎ 超表面的电磁特性研究进展／周 霞等 ·５１·
·52· 材科导报A:综述篇 2016年7月(A)第30卷第7 等纪太耕盘波束的制率从传统的1k出提高到了 相对宽或窄的两个本征模。此研究会应用到更多各向异性 提出微波段超表 光学系统中， 四。 4光波段超表面的应用 )为甚本单元，用太波束观察其不同 实现光波段超表面结构尺寸常常在纳米量级，其实验测 置的传输畅度（见图8(b) 直结里麦明改变不对参 数可以获得高无源调制的1C振，此性能可应用在太赫 未来相应的模型 的难度，通常也是采用电子束光 兹调制器的设计上 在中红外被段实程角折射率的 平面超材料（超表面），实 用的是著名且相对简单的扫描探针光刻技术 此方法县 过程简单，成本较低等优点，对于生产具有独特性能的结 米说非常有用。随后Fedotov等提出了在可见光和近 外波段实现不对称传输的一种手征超表面结构。图10(a)为 该单元结均，其线密为50.基序是有耗识料。图10化)为 圆极化波的总透射谱，可观察到右旋圆极化波从正向和反向 传搭时的不对称性。他们认为波的传播方向、手征超表面的 各向异性和基底材料的损耗是决定不对称传输的重要因素」 440nm 50 图8 Singh等提出的超表面结构(a)和仿真结果图(b)回 Fig. prop 2011年，Jansen等司提出了一种以不对称D开口谐托 器为单元结构的超表面（图9(a)镀金层厚为200m),图 03 800 1400 170 9(b)将该结构与不对称双开口诺振器进行比较，可见不对杨 图10 D开口谐振客的品质因数较高。这种钻构对于薄膜传感器， 手征超表面结 的 元(a) 窄陷波滤波器等应用来说是非常有吸引力的基础构件。 Fig.10 Unit ell of the c urface (a)and total 多A trasmission of circulypolrizd ligh() 大结 了操 获得了光的极化控制。 优化此结 使，可实现近红外波段的 位和极化控制，他们酒过领联 层各向异性海片来控制 2014年Pe 性极化波的传输 实现不对称 图9 Jansen等提出的单元结构(a)和品质因数图(b) Fig.9 Unit cell (a)and proposed by Jansen et a 的SU-8,在1.5 化波通过超 自从太赫蕊好表面的调谐能力、品质因数等内容被研究 而转换为左旋圆极化波的透光 到了 其余的 了一母时间后后近I型rene芝可从县帆的角府提出一种 元侧都低子25%.他们用 和实验数据说 超表面结构，其奇偶校验时间(Parity time,PT)对称在极化 了该超表面结构可以实现圆极化波的不对称传输 空间可被破环。此结构由两组正交的天线组成，他们用光刻 2015年71 ag等用线极化波研究超表面的不对称传 法实验观察到PT对称破坏会引起光分裂，取而代之的是 输特性，也是采用3层金属薄片的级联方式来进行模拟和测 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
等［２６］ 把太赫兹波束的调制频率从传统的１ｋＨｚ提高到了３０ ｋＨｚ。这些超表面的研究大大提高了太赫兹波在室温下的转 换和调制。Ｓｉｎｇｈ等［２７］ 在Ｉｂｒａｈｅｅｍ 等［１７］ 提出微波段超表面 的基础上继续深化研究，也是以开口谐振环（图８（ａ）镀铝厚 度为２００ｎｍ）为基本单元，用太赫兹波束观察其不同开口位 置的传输幅度（见图８（ｂ））。该仿真结果表明改变不对称参 数δｘ 可以获得高无源调制的 ＬＣ谐振，此性能可应用在太赫 兹调制器的设计上。 图８ Ｓｉｎｇｈ等提出的超表面结构（ａ）和仿真结果图（ｂ）［２７］ Ｆｉｇ．８ Ａ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ａ）ａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓ（ｂ） ｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙＳｉｎｇｈｅｔａｌ［２７］ ２０１１年，Ｊａｎｓｅｎ等［２８］ 提出了一种以不对称 Ｄ 开 口 谐 振 器为单元结构的超表面 （图 ９（ａ）镀 金 层 厚 为 ２００ｎｍ），图 ９（ｂ）将该结构与不对称双开口谐振器进行比较，可见不对称 Ｄ开口谐振器的品质因数较高。这种结构对于薄膜传感器、 窄陷波滤波器等应用来说是非常有吸引力的基础构件。 图９ Ｊａｎｓｅｎ等提出的单元结构（ａ）和品质因数图（ｂ）［２８］ Ｆｉｇ．９ Ｕｎｉｔｃｅｌｌ（ａ）ａｎｄｓｃｈｅｍａｔｉｃｆｏｒＱ－ｆａｃｔｏｒｓ（ｂ） ｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙＪａｎｓｅｎｅｔａｌ［２８］ 自从太赫兹超表面的调谐能力、品质因数等内容被研究 了一段时间后，最近 Ｌａｗｒｅｎｃｅ等［２９］从另外的角度提出一种 超表面结构，其奇偶校验时 间（Ｐａｒｉｔｙｔｉｍｅ，ＰＴ）对称 在 极 化 空间可被破坏。此结构由两组正交的天线组成，他们用光刻 法实验观察到 ＰＴ 对称破坏会引起光谱分裂，取而代之的是 相对宽或窄的两个本征模。此研究会应用到更多各向异性 光学系统中。 ４ 光波段超表面的应用 实现光波段超表面结构尺寸常常在纳米量级，其实验测 试和加工制造都有一定的难度，通常也是采用电子束光刻技 术来实现相应的模型。２００６年，Ｚｏｒａｎ等［３０］ 设计和制造出了 在中红外波段实现负折射率的平面超材料（超表面），实验采 用的是著名且相对简单的扫描探针光刻技术。此 方 法 具 有 过程简单、成本较低等优点，对于生产具有独特性能的结构 来说非常有用。随 后 Ｆｅｄｏｔｏｖ等［３１］提出了在可见光和近红 外波段实现不对称传输的一种手征超表面结构。图１０（ａ）为 该单元结构，其线宽为５０ｎｍ，基底是有耗铝材料。图１０（ｂ）为 圆极化波的总透射谱，可观察到右旋圆极化波从正向和反向 传播时的不对称性。他们认为波的传播方向、手征超表面的 各向异性和基底材料的损耗是决定不对称传输的重要因素。 图１０ 手征超表面结构的基本单元（ａ） 和圆极化波的透射谱（ｂ）［３１］ Ｆｉｇ．１０ Ｕｎｉｔｃｅｌｌｏｆｔｈｅｃｈｉｒａｌｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ（ａ）ａｎｄｔｏｔａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔ（ｂ）［３１］ Ｚｈａｏ等［３２］ 提出了一种具有操纵光极化状态潜能的超薄 等离子超表面，其基本结构是两个正交的纳米棒，他 们 用 全 波数值仿真实现几何上的最优化，此结构优化了操作带宽且 获得了光的极化控制。同样 Ｐｆｅｉｆｆｅｒ等［３３］ 提出一种超表面透 镜，可实现近红外波段的相位和极化控制，他 们 通 过 级 联４ 层各向异性薄片来控制线性极化波的传输相位。 ２０１４年 Ｐｆｅｉｆｆｅｒ等［３４］又提出了在光频段实现不对称传 输的高性能双各向异性超表面，该结构由３层镀铜金属板级 联组成（见图１１（ａ）、（ｂ）），间隔是阻抗为ηｄ、光学厚度 为βｄ 的ＳＵ－８。在１．５μｍ 工作频段附近，右旋圆极化波通过超表 面转换为左旋圆极化波的透光率达到了５０％，而其余的琼斯 矩阵元素则都低于２．５％，他们用仿真数据和实验数据说明 了该超表面结构可以实现圆极化波的不对称传输。 ２０１５年 Ｚｈａｎｇ等［３５］ 用线极化波研究超表面的不对称传 输特性，也是采用３层金属薄片的级联方式来进行模拟和测 ·５２· 材料导报 Ａ：综述篇 ２０１６年７月（Ａ）第３０卷第７期
超表面的电磁特性研究进展/周霞等 ·53· 试图12。)中米用厚度为40m.中间-8介由质的 析、设计及制造工作仍需不断被研究。实验结果，理论分析 厚度为125 从图12(b)可观察到线极化波在一个方向上 的不对称传输率超过了60%，而在相反方向其透光率很 子学、化学、生物医学等名个领域 6sU-8 超表面的应用发展是近几年才流行起来的，国内关于这 方面的研究并不是很多。笔者认为要设计出良好性能的超 表面必须考虑到各种影响因素如环境温度、材料类型，图形 设计，尺寸大小等，接下来的工作是要做更溪入的理论分析 更精确的榄拟仿真以及更全面的实验验证，特别是对太赫兹 波段和光频段的超表面结构进行进一步的优化，使其更好地 0 控制光的极化和传输，达到预期的目的并体现一定的实用性。 2 0. 0.3 参考文献 0.2 0.1 44 1 Kildishev A V.Bolta A.Shala VM.Planar photonic 2013,339(6125):123200 9213141516171819 matenialsCj 3 Holloway CL.et al.A double nseative (DNG)composits mediun 图11由3个片状导纳级联而成的超表面模型图（®） dded in a ma 设计单元结构的透视图 admittances(aperspective view of the designed unit cell(b) simulated and measured transmission spectra(e)t 002.35(5):405 th DR.Padilla WJ.Vier DC.et alComp L.2000.8418),184 ty[J1. Yu NE.C oF.Flat opitics with designer metasr Nat Mater,2014.13(2):13 From me perations with metsmaterials[].Science.2014.343(6167):160 a.6 刘道亚，重建峰.平面手征超介质不对称传输特性研究进展刀.材料 02 号报：综篇，2013.27(10)：11 0 200 Yang ZCheng Y hys Lett.2013.10g21.02190g 图12 Zhang等提出的单元结构(a),仿真和实验结果(b) (b) 11 Khanikaev A B.Hossein M S.Gennady S.et al,On Fig.12 Unit cell (a).simulated and m ordi 5结语 Phys Rev B,2013,89(7:163 超表面结构由于它的二维性质，所以占据物理空间少 13 Niemi T.Karilainen A O,et al.Synthesis of polarization transfor 品质因数较高且损耗较低。超薄的超表面可以替代大型 的光学设备来实现相应的功能，它在微波段，太赫波段和 光被段具有很大的应用潜力-，包括可控智能表面、小型 03501 谐根腔，新型波导结构、吸波器、生物医学设各、太赫兹开关 15 Falcone F,et al.Babin 等。目前为止，国际上报道的超表而结构设计从最初的复杂 prineiple applied to the design of 到现在的简单，其电磁特性也逐渐被优化，许多超表面的分 l Pel VA-Rase. 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House All rights reserved http://www.cnki.ne
试。图１２（ａ）中镀金光栅厚度为４０ｎｍ，中间ＳＵ－８介电质层的 厚度为１２５ｎｍ。从图１２（ｂ）可观察到线极化波在一个方向上 的不对称传输率超过了６０％，而在相反方向其透光率很小。 图１１ 由３个片状导纳级联而成的超表面模型图（ａ）， 设计单元结构的透视图（ｂ）以及仿真和实验透射谱（ｃ）［３４］ Ｆｉｇ．１１ Ａｓｉｎｇｌｅｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｃｏｎｓｉｓｔｏｆｔｈｒｅｅｃａｓｃａｄｅｄｓｈｅｅｔ ａｄｍｉｔｔａｎｃｅｓ（ａ），ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｕｎｉｔｃｅｌｌ（ｂ）， ｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａ（ｃ）［３４］ 图１２ Ｚｈａｎｇ等提出的单元结构（ａ），仿真和实验结果（ｂ）［３５］ Ｆｉｇ．１２ Ｕｎｉｔｃｅｌｌ（ａ），ｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓ（ｂ） ｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙＺｈａｎｇｅｔａｌ［３５］ ５ 结语 超表面结构由于它的二维性质，所以占据物理空间少， 品质因数较高且损耗较低［３６］。超薄的超表面可以替代大型 的光学设备来实现相应的功能，它在 微 波 段、太 赫 兹 波 段 和 光波段具有很大的应用潜力［３７－４７］，包括可控智能表面、小型 谐振腔、新型波导结构、吸 波 器、生 物 医 学 设 备、太 赫 兹 开 关 等。目前为止，国际上报道的超表面结构设计从最初的复杂 到现在的简单，其电磁特性也逐渐被优化，许多超表面的分 析、设计及制造工作仍需不断被研究。实 验 结 果、理 论 分 析 和数值模拟都很好地证明了超表面结构具有极化控制、相位 控制等独特性质，未来超表面的应用将会涉及到电磁学、光 子学、化学、生物医学等各个领域。 超表面的应用发展是近几年才流行起来的，国内关于这 方面的研究并不是很多。笔者认为要设计出良好性能的超 表面必须考虑到各种影响因素如环境温度、材 料 类 型、图 形 设计、尺寸大小等，接下来的工作是要做更深入的理论分析、 更精确的模拟仿真以及更全面的实验验证，特别是对太赫兹 波段和光频段的超表面结构进行进一步的优化，使其更好地 控制光的极化和传输，达到预期的目的并体现一定的实用性。 参考文献 １ ＫｉｌｄｉｓｈｅｖＡ Ｖ，ＢｏｌｔａｓｓｅｖａＡ，ＳｈａｌａｅｖＶ Ｍ．Ｐｌａｎａｒｐｈｏｔｏｎｉｃｓｗｉｔｈ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１３，３３９（６１２５）：１２３２００９ ２ ＬａｐｉｎｅＭ，ＴｒｅｔｙａｋｏｖＳ．Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙｎｏｔｅｓｏｎｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］． ＩＥＴ ＭｉｃｒｏｗａｖｅｓＡｎｔｅｎｎａｓＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，２００７，１（１）：３ ３ ＨｏｌｌｏｗａｙＣＬ，ｅｔａｌ．Ａｄｏｕｂｌｅｎｅｇａｔｉｖｅ（ＤＮＧ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｅｄｉｕｍ ｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｍａｇｎｅｔｏ－ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｈｅｒｉｃａｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎａｍａ－ ｔｒｉｘ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓＡｎｔｅｎｎａｓＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，２００３，５１（１０）：２５９６ ４ ＶＭａｒｑｕｅｓＲ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｗ２Ｄｉｓｏｔｒｏｐｉｃｌｅｆｔ－ｈａｎｄｅｄｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｄｅ－ ｓｉｇｎ：Ｔｈｅｏｒｙａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｏｐｔ ＴｅｃｈｎｏｌＬｅｔｔ， ２００２，３５（５）：４０５ ５ ＳｍｉｔｈＤＲ，ＰａｄｉｌｌａＷＪ，ＶｉｅｒＤＣ，ｅｔａｌ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｅｄｉｕｍ ｗｉｔｈｓｉ－ ｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｎｅｇａｔｉｖｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙａｎｄｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．ＰｈｙｓＲｅｖ Ｌｅｔｔ，２０００，８４（１８）：４１８４ ６ ＹｕＮＦ，ＣａｐａｓｓｏＦ．Ｆｌａｔｏｐｉｔｉｃｓｗｉｔｈｄｅｓｉｇｎｅｒｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．Ｎａｔ Ｍａｔｅｒ，２０１４，１３（２）：１３９ ７ ＺｈｅｌｕｄｅｖＮＩ，ＫｉｖｓｈａｒＹＳ．Ｆｒｏｍ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｔｏｍｅｔａｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ］． ＮａｔＭａｔｅ，２０１２，１１（１１）：９１７ ８ ＳｉｌｖａＡ，ＭｏｎｔｉｃｏｎｅＦ，ＣａｓｔａｌｄｉＧ，ｅｔａｌ．Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１４，３４３（６１６７）：１６０ ９ ＬｉｎＤＹ，ＤｏｎｇＪＦ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆ ｐｌａｎａｒｃｈｉｒａｌｍｅｒａｎｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒＲｅｖ：Ｒｅｖ，２０１３，２７（１０）：１１７（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 刘道亚，董建峰．平面手征超介质不对称传输特性研究进展［Ｊ］．材料 导报：综述篇，２０１３，２７（１０）：１１７ １０ ＷｕＬ，ＹａｎｇＺ，ＣｈｅｎｇＹ，ｅｔａｌ．Ｇｉａｎｔａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｃｉｒ－ ｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｉｎｌａｙｅｒ－ｂｙ－ｌａｙｅｒｃｈｉｒａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ ＰｈｙｓＬｅｔｔ，２０１３，１０３（２）：０２１９０３ １１ ＫｈａｎｉｋａｅｖＡＢ，ＨｏｓｓｅｉｎＭＳ，ＧｅｎｎａｄｙＳ，ｅｔａｌ．Ｏｎｅ－ｗａｙｅｘｔｒａｏｒｄｉ－ ｎａｒｙｏｐｔｉｃａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｎｏｎｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｓｐｏｏｆｐｌａｓｍｏｎｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ ＲｅｖＬｅｔｔ，２０１０，１０５（１２）：２０５８ １２ ＲａｄｉＹ，ＡｓａｄｃｈｙＶ，ＴｒｅｔｙａｋｏｖＳ．Ｏｎｅ－ｗａｙｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｓｈｅｅｔｓ［Ｊ］． ＰｈｙｓＲｅｖＢ，２０１３，８９（７）：１６３ １３ ＮｉｅｍｉＴ，Ｋａｒｉｌａｉｎｅｎ Ａ Ｏ，ｅｔａｌ．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｏｒ－ ｍｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓＡｎｔｅｎｎａｓＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，２０１３，６１（６）：３１０２ １４ ＹｅＹ，ＨｅＳ．９０°ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｒｏｔａｔｏｒｕｓｉｎｇａｂｉｌａｙｅｒｅｄｃｈｉｒａｌｍｅｔａｍａ－ ｔｅｒｉａｌｗｉｔｈｇｉａｎｔｏｐｔｉｃａｌａｃｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．ＡｐｐｌＰｈｙｓＬｅｔｔ，２０１０，９６（２０）： ２０３５０１ １５ ＦａｌｃｏｎｅＦ，ｅｔａｌ．Ｂａｂｉｎｅｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｍｅｔａｓｕｒ－ ｆａｃｅｓａｎｄｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ，２００４，９３（１９）：１９７４０１ １６ ＦｅｄｏｔｏｖＶ Ａ，ＲｏｓｅＭ，ＰｒｏｓｖｉｒｎｉｎＳＬ，ｅｔａｌ．Ｓｈａｒｐｔｒａｐｐｅｄ－ｍｏｄｅｒｅ－ 超表面的电磁特性研究进展／周 霞等 ·５３·