光物理专题：人工光学微结构研究进展（南开大学物理科学学院）

光物理专题 人工光学微结构研究进展 2019-03-02收到 李占成程化陈树琪 DoL:10.7693/wl20190603 (南开大学物理科学学院天津300071) Artificial optical nanostructures LI Zhan-Cheng CHENG Hua CHEN Shu-Qi (School of physics, Nankai Uiversity. Tianjin 300071. China) 摘要受益于新世纪以来微纳加工技术的快速发展,人工光学微结构的相关研究 近二十年里取得了长足进步。人工光学微结构集合了光学介观体系丰富的物理机理、有 力的光参量调控手段,为实现对光与物质相互作用的有效操控提供了一种全新的方式,为 光学器件的小型化、集成化和轻质化提供了新的途径。文章将对人工光学微结构这些年的 发展进行概述,并展示该研究领域的最新研究进展 关键词超材料,超表面,光场调控,集成光子学器件 Abstract Benefiting from the rapid development of nano-fabrication technology in the new century, great progress has been made in the research of artificial optical nanostructures These nanostructures, assembled with plentiful physical mechanisms and capabilities for optical wave manipulation, provide a new means for the effective manipulation of light-matter interac- ion, and a new approach for the integration, miniaturization and weight reduction of optical de- vices. Here we summarize the progress in research on artificial optical nanostructures over the ast twenty years. Keywords metamaterials, metasurfaces, optical wave manipulation, integrated photonic 1引言 的材料并不具备相应的光学性质,因此这些新奇 的光学现象在自然界中并不能被观察到。新世纪 光学现象的产生和光学功能的实现都源于光以来,获取具有全新光学性质的新材料成为了近 与物质的相互作用。实现对光与物质相互作用的代光学研究的重要方向。一方面,人们通过化学 有效控制,进而获得所需的各类光学功能器件是合成的方式获取具有全新光学性质的新材料,如 光学研究领域的重要研究内容。从400多年前望聚四氟乙烯。另一方面,人们通过对人工微结构 远镜的发明开始,无数设计精妙的光学器件被不介电常数和磁导率的人为设计来操控其光学性 断地提出用以实现特定的光学功能或产生独特的质,获得所需的光学响应。相比于化学合成的 光学现象。随着光与物质相互作用相关理论研究方法,人工光学微结构在设计上具有更高的自 的不断深入,研究者们逐步发现了一系列自然界由度和操控性,近年来成为了光学领域的研究 中并不存在的新奇光学现象。这些现象的产生并热点。 不违背光学的基本定律,但是由于自然界中存在

· 48卷 (2019 年) 4 期 2019－03－02收到 † email：schen@nankai.edu.cn DOI：10.7693/wl20190603 人工光学微结构研究进展 李占成 程 化 陈树琪† (南开大学物理科学学院 天津 300071) Artificial optical nanostructures LI Zhan-Cheng CHENG Hua CHEN Shu-Qi† (School of physics，Nankai Uiversity，Tianjin 300071，China) 摘 要 受益于新世纪以来微纳加工技术的快速发展，人工光学微结构的相关研究 在近二十年里取得了长足进步。人工光学微结构集合了光学介观体系丰富的物理机理、有 力的光参量调控手段，为实现对光与物质相互作用的有效操控提供了一种全新的方式，为 光学器件的小型化、集成化和轻质化提供了新的途径。文章将对人工光学微结构这些年的 发展进行概述，并展示该研究领域的最新研究进展。 关键词 超材料，超表面，光场调控，集成光子学器件 Abstract Benefiting from the rapid development of nano-fabrication technology in the new century, great progress has been made in the research of artificial optical nanostructures. These nanostructures, assembled with plentiful physical mechanisms and capabilities for optical wave manipulation, provide a new means for the effective manipulation of light-matter interac￾tion, and a new approach for the integration, miniaturization and weight reduction of optical de￾vices. Here we summarize the progress in research on artificial optical nanostructures over the last twenty years. Keywords metamaterials, metasurfaces, optical wave manipulation, integrated photonic devices 光物理专题 1 引言 光学现象的产生和光学功能的实现都源于光 与物质的相互作用。实现对光与物质相互作用的 有效控制，进而获得所需的各类光学功能器件是 光学研究领域的重要研究内容。从400多年前望 远镜的发明开始，无数设计精妙的光学器件被不 断地提出用以实现特定的光学功能或产生独特的 光学现象。随着光与物质相互作用相关理论研究 的不断深入，研究者们逐步发现了一系列自然界 中并不存在的新奇光学现象。这些现象的产生并 不违背光学的基本定律，但是由于自然界中存在 的材料并不具备相应的光学性质，因此这些新奇 的光学现象在自然界中并不能被观察到。新世纪 以来，获取具有全新光学性质的新材料成为了近 代光学研究的重要方向。一方面，人们通过化学 合成的方式获取具有全新光学性质的新材料，如 聚四氟乙烯。另一方面，人们通过对人工微结构 介电常数和磁导率的人为设计来操控其光学性 质，获得所需的光学响应。相比于化学合成的 方法，人工光学微结构在设计上具有更高的自 由度和操控性，近年来成为了光学领域的研究 热点。 · 221 ·

光物理专题 超材料 现了负的介电常数和磁导率3。2000年美国加 利福尼亚大学D.R. Smith教授通过将金属棒和开 人工光学微结构的产生与发展最初着眼于获口谐振环相结合,利用人工微结构实现了介电常 得自然界中现有材料并不具备的光学性质。19世数和磁导率同时为负;之后在2001年, Smith教 纪60年代,苏联科学家VG. Veselago对介电常数授利用相似设计在实验上微波波段成功观察到了 和磁导率同时为负值(ε<0且μ<0)的材料的光学响左手材料中的负折射效应(图1)。该材料为人工 应进行了理论研究,并证明在该类材料中传播的光学微结构的硏究开启了新的大门,2003年被 光波的电场、磁场和波矢量遵守左手定则,波矢 Science杂志评为当年十大科技突破之一。由于左 量和坡印廷矢量的方向相反。这种材料被称为手材料并不是人工光学微结构的唯一研究内容 左手材料。相比于传统光学材料(∞>0且>0),左因此人们逐渐将具有新奇光学特性的三维人工光 手材料能够产生负折射效应、逆多普勒效应、完学微结构称为超材料( Metamaterials),这一命名最 美透镜等新奇的光学效应。然而由于自然界中并早由美国德克萨斯大学物理学教授RM. Walser 不存在左手材料,因此相关的实验性研究一直未在1999年提出門。超材料被定义为具有亚波长尺 能得到开展。直到19世纪末期,人工光学微结构度结构单元的人工结构材料,其光学性质主要决 的提出和相关理论研究才为在实验上同时实现负定于基本结构单元的设计而非组成其的材料本 的介电常数和磁导率提供了新的可能性。英国帝身。超材料主要有以下三个特点:(1)人工结构的 国理工大学JB. Pendry教授在1996年和1999年复合材料;(2)基本结构单元小于波长;(3)光学性 分别利用周期性金属棒阵列和开口谐振环阵列实质主要由基本结构单元决定。从2000年到2010 年,利用超材料研究新的光学现象,设计新的光 (a) 学器件,实现独特的光学功能成为光学研究领域 的热点方向,包括负折射现象、超透镜、光学隐 身斗篷、人造手性介质、人造磁性介质、光学黑 洞以及超分辨成像等在内的诸多新的光学现象、 应用被广泛研究。图2展示了一种基于超材料 设计的微波波段电磁波隐身斗篷,这是超材料最 为人们所熟知的应用领域之一叫。2010年 Science 杂志审视了进入新千年以来所取得的重要科学进 步,评选出了10项重要科学成就( sights of the )2验岩关 LHM Decade),超材料位列其中。 Science杂志对超材 料给出的评语是光学中不寻常的新把戏( Strange New tricks with light),足可看出超材料对现代 0.4 光学研究产生了重要影响,为现代光学研究的发 展提供了新的方向。同时,利用超材料实现光学 隐身在军事和航天等领域的巨大应用价值也受到 了世界各国的广泛关注。美国国防部将超材料评 入射光角度 为2013-2017年科技发展“五年计划”中重点关 图1人工光学微结构实现左手材料(a)介电常数和磁导 注的六大颠覆性基础研究领域之一。2017年, 率同时为负值的人工光学微结构样品;(b)左右材料中的负 《解放军报》以“超材料:国防装备‘隐身 折射现象(LHM:左手材料; Teflon:聚四氟乙烯材料) 衣’”为题报道了我国在超材料及其相关器件关 物设·48卷(2019年4期

光物理专题 · 48卷 (2019 年) 4 期 图1 人工光学微结构实现左手材料[5] (a)介电常数和磁导 率同时为负值的人工光学微结构样品；(b)左右材料中的负 折射现象(LHM：左手材料；Teflon：聚四氟乙烯材料) 2 超材料 人工光学微结构的产生与发展最初着眼于获 得自然界中现有材料并不具备的光学性质。19世 纪60年代，苏联科学家V. G. Veselago对介电常数 和磁导率同时为负值(ε<0且μ<0)的材料的光学响 应进行了理论研究，并证明在该类材料中传播的 光波的电场、磁场和波矢量遵守左手定则，波矢 量和坡印廷矢量的方向相反[1] 。这种材料被称为 左手材料。相比于传统光学材料(ε>0且μ>0)，左 手材料能够产生负折射效应、逆多普勒效应、完 美透镜等新奇的光学效应。然而由于自然界中并 不存在左手材料，因此相关的实验性研究一直未 能得到开展。直到19世纪末期，人工光学微结构 的提出和相关理论研究才为在实验上同时实现负 的介电常数和磁导率提供了新的可能性。英国帝 国理工大学 J. B. Pendry 教授在 1996 年和 1999 年 分别利用周期性金属棒阵列和开口谐振环阵列实 现了负的介电常数和磁导率[2，3] 。2000 年美国加 利福尼亚大学D. R. Smith教授通过将金属棒和开 口谐振环相结合，利用人工微结构实现了介电常 数和磁导率同时为负[4] ；之后在2001年，Smith教 授利用相似设计在实验上微波波段成功观察到了 左手材料中的负折射效应(图1) [5] 。该材料为人工 光学微结构的研究开启了新的大门， 2003 年被 Science杂志评为当年十大科技突破之一。由于左 手材料并不是人工光学微结构的唯一研究内容， 因此人们逐渐将具有新奇光学特性的三维人工光 学微结构称为超材料(Metamaterials)，这一命名最 早由美国德克萨斯大学物理学教授 R. M. Walser 在1999年提出[6] 。超材料被定义为具有亚波长尺 度结构单元的人工结构材料，其光学性质主要决 定于基本结构单元的设计而非组成其的材料本 身。超材料主要有以下三个特点：(1)人工结构的 复合材料；(2)基本结构单元小于波长；(3)光学性 质主要由基本结构单元决定。从 2000 年到 2010 年，利用超材料研究新的光学现象，设计新的光 学器件，实现独特的光学功能成为光学研究领域 的热点方向，包括负折射现象、超透镜、光学隐 身斗篷、人造手性介质、人造磁性介质、光学黑 洞以及超分辨成像等在内的诸多新的光学现象、 应用被广泛研究[7，8] 。图2展示了一种基于超材料 设计的微波波段电磁波隐身斗篷，这是超材料最 为人们所熟知的应用领域之一[9] 。2010年Science 杂志审视了进入新千年以来所取得的重要科学进 步，评选出了 10 项重要科学成就(Insights of the Decade)，超材料位列其中。Science 杂志对超材 料给出的评语是光学中不寻常的新把戏(Strange New Tricks With Light)，足可看出超材料对现代 光学研究产生了重要影响，为现代光学研究的发 展提供了新的方向。同时，利用超材料实现光学 隐身在军事和航天等领域的巨大应用价值也受到 了世界各国的广泛关注。美国国防部将超材料评 为2013—2017年科技发展“五年计划”中重点关 注的六大颠覆性基础研究领域之一。2017 年， 《解放军报》 以“超材料：国防装备‘隐身 衣’”为题报道了我国在超材料及其相关器件关 · 222 ·

键技术硏发取得的新进展。2018年央视《大国重 器》节目首次披露了中国首条超材料生产线,标志 着我国成为了世界上首个实现超材料量产的国家 3超表面 在过去的十多年中,超材料在微波波段的研 究较为广泛,包括负折射、光学隐身等现象都是 首先在微波波段被实现。而在光波波段,由于超 材料结构精细,致使其加工与制备不仅复杂而且 需要很高的成本,这非常不利于超材料的实际应 用。此外,金属材料在超材料设计中被广泛使 用,金属本身在光波段高损耗和高色散的特点mm 也限制了所设计超材料的工作效率和带宽。在光 波波段,相比于超材料而言,平面人工光学微结 构由于其相对易于加工制备,且在与光波相互作 用过程中损耗较低,因此受到了广泛关注和研 究。由于平面人工光学微结构的厚度远远小于其 工作波长,因此可以被看作是超材料的二维对 应,故而人们将其命名为超表面( Metasurfaces) 2011年,哈佛大学F. Capasso教授及其硏究团队 利用具有不同结构参数的V字纳米金属天线在亚 波长尺度下实现了对线偏振光波相位从0到2π的 图2基于超材料的微波波段电磁波隐身斗篷"(a)电磁波隐 身斗篷样品;(b)电磁波隐身斗篷实现隐身功能的模拟示意图 调控,该工作被认为是超表面研究领域的开山之 作。在该工作中,他们还提出了广义斯涅耳定 律,通过引入具有不同结构参数的V字纳米金属 天线构成相位梯度表面,成功实现了对透射光波 波前的操控,如图3所示。这一结果第一次让人 (b) 们意识到超表面可以在亚波长尺度下实现对光波 8./LLL、F厂rg 相位的有效控制,从而控制光波的波前。2012 年,英国伯明翰大学X.Chen等人进一步将几何 相位原理应用于超表面的设计中,仅通过对超表 面基本结构单元的简单旋转就实现了对圆偏振光 场相位在亚波长尺度下的有效控制。超表面可 08r437872 以对光波相位在亚波长尺度下进行有效控制这 图3由V字纳米金属天线阵列组成的超表面(a)超表面 特点,使得其在之后的研究中被广泛用于包括光样品在扫描电子显微镜下的俯视图;(b)利用超表面在亚波 聚焦、全息成像、矢量光束生成、光子自选轨道 长尺度下控制光波相位实现光波波前控制的示意图 耦合等在内的多个领域。此外,随着超表面领域超表面分别实现对光波振幅、相位、偏振和频率 相关研究近年来的不断开展,人们已经可以利用的有效控制,相关研究为微纳集成光学器件的实

· 48卷 (2019 年) 4 期 键技术研发取得的新进展。2018年央视《大国重 器》节目首次披露了中国首条超材料生产线，标志 着我国成为了世界上首个实现超材料量产的国家。 3 超表面 在过去的十多年中，超材料在微波波段的研 究较为广泛，包括负折射、光学隐身等现象都是 首先在微波波段被实现。而在光波波段，由于超 材料结构精细，致使其加工与制备不仅复杂而且 需要很高的成本，这非常不利于超材料的实际应 用。此外，金属材料在超材料设计中被广泛使 用，金属本身在光波波段高损耗和高色散的特点 也限制了所设计超材料的工作效率和带宽。在光 波波段，相比于超材料而言，平面人工光学微结 构由于其相对易于加工制备，且在与光波相互作 用过程中损耗较低，因此受到了广泛关注和研 究。由于平面人工光学微结构的厚度远远小于其 工作波长，因此可以被看作是超材料的二维对 应，故而人们将其命名为超表面(Metasurfaces)。 2011 年，哈佛大学 F. Capasso 教授及其研究团队 利用具有不同结构参数的V字纳米金属天线在亚 波长尺度下实现了对线偏振光波相位从0到2π的 调控，该工作被认为是超表面研究领域的开山之 作[10] 。在该工作中，他们还提出了广义斯涅耳定 律，通过引入具有不同结构参数的V字纳米金属 天线构成相位梯度表面，成功实现了对透射光波 波前的操控，如图3所示。这一结果第一次让人 们意识到超表面可以在亚波长尺度下实现对光波 相位的有效控制，从而控制光波的波前。2012 年，英国伯明翰大学 X. Chen 等人进一步将几何 相位原理应用于超表面的设计中，仅通过对超表 面基本结构单元的简单旋转就实现了对圆偏振光 场相位在亚波长尺度下的有效控制[11] 。超表面可 以对光波相位在亚波长尺度下进行有效控制这一 特点，使得其在之后的研究中被广泛用于包括光 聚焦、全息成像、矢量光束生成、光子自选轨道 耦合等在内的多个领域。此外，随着超表面领域 相关研究近年来的不断开展，人们已经可以利用 超表面分别实现对光波振幅、相位、偏振和频率 的有效控制，相关研究为微纳集成光学器件的实 图2 基于超材料的微波波段电磁波隐身斗篷[9] (a)电磁波隐 身斗篷样品；(b)电磁波隐身斗篷实现隐身功能的模拟示意图 图3 由 V字纳米金属天线阵列组成的超表面[10] (a)超表面 样品在扫描电子显微镜下的俯视图；(b)利用超表面在亚波 长尺度下控制光波相位实现光波波前控制的示意图 · 223 ·

现提供了一种有效方式。值得一提的是,由 ↓食 于超表面的厚度远远小于其工作波长,因此其等 +纳米棒 效光学参数(介电常数和磁导率)在设计过程中并 不会被太多地关注。取而代之的是,人们通过研 究和调控超表面界面处光波与物质的相互作用来 操控其光学响应。例如,我们知道在传统的非线 ■氟化镁薄膜 性晶体当中,获得高效率的非线性光学响应需要 ■金薄膜 600800100012001400 ■硅衬底 波长mm 非线性过程满足相位匹配条件。然而由于超表面 本身的厚度在亚波长尺度范围内,因此其非线性 光学响应不再受限于相位匹配条件,超表面产生 的近场强局域电场增强现象和超表面中的多共振 模式光响应会显著增强其与光波的相互作用从而 导致超表面产生很强的非线性光学响应。 作为一种平面人工光学微结构,基于金属材 料的超表面相比于超材料虽然有效地降低了其与 光波相互作用过程中产生的损耗,但与此同时其 与光波的相互作用强度也由于相互作用距离的缩 图4一种“金属薄一电介质一金属微结构”超表面设计 短而随之降低。这使得超表面虽然能够实现对光 (a)该超表面结构示意图;(b)该超表面中光波偏振态转换 波振幅、相位、偏振的有效控制,但其调控效率 模拟结果;()基于超表面对光波高效率的相位控制,实现非常有限。例如,在光波相位调控方面,基于金 效率高于80%的全息成像 属材料的超表面的调控效率的理论上限为25%"。 “金属薄膜一电介质一金属微结构”设计方法的 提出为反射模式下利用超表面实现对光波振幅、 相位、偏振的高效率调控提供了一种有效途径。 例如,英国伯明翰大学S. Zhang教授及其研究团 队在2015年利用这种设计方式在反射模式下实现 了对光场圆偏振态的高效率转换。他们进一步 通过引入几何相位的方式实现了对偏振转换光波 相位的有效控制,进而在超表面中实现了效率高 于80%的全息成像,如图4所示。在该类设计 中,金属薄膜和微结构间光波的多次反射和干涉 效应极大地增强了微结构与光波的相互作用 度,从而有效地提高了超表面对光波的调控效率。 电介质材料在超表面设计中的广泛应用则从根本 上解决了超表面光波调控效率较低这一问题。在 光波波段,电介质材料(例如硅、氧化钛等)与光波 能够产生较强的相互作用且在相互作用的过程中 图5电介质超表面实现全息成像(a)电介质超表面样品在 乎没有损耗产生,因此基于电介质材料的超表面在 扫描电子显微镜下的俯视图;(b)电介质超表面实现的全息图像 光波调控方面具有极高的效率。例如,澳大利亚国 224 物设·48卷(2019年4期

光物理专题 · 48卷 (2019 年) 4 期 图 4 一种“金属薄—电介质—金属微结构”超表面设计[17] (a)该超表面结构示意图；(b)该超表面中光波偏振态转换的 模拟结果；(c)基于超表面对光波高效率的相位控制，实现 效率高于80%的全息成像 现提供了一种有效方式[12，13] 。值得一提的是，由 于超表面的厚度远远小于其工作波长，因此其等 效光学参数(介电常数和磁导率)在设计过程中并 不会被太多地关注。取而代之的是，人们通过研 究和调控超表面界面处光波与物质的相互作用来 操控其光学响应。例如，我们知道在传统的非线 性晶体当中，获得高效率的非线性光学响应需要 非线性过程满足相位匹配条件。然而由于超表面 本身的厚度在亚波长尺度范围内，因此其非线性 光学响应不再受限于相位匹配条件，超表面产生 的近场强局域电场增强现象和超表面中的多共振 模式光响应会显著增强其与光波的相互作用从而 导致超表面产生很强的非线性光学响应[14，15] 。 作为一种平面人工光学微结构，基于金属材 料的超表面相比于超材料虽然有效地降低了其与 光波相互作用过程中产生的损耗，但与此同时其 与光波的相互作用强度也由于相互作用距离的缩 短而随之降低。这使得超表面虽然能够实现对光 波振幅、相位、偏振的有效控制，但其调控效率 非常有限。例如，在光波相位调控方面，基于金 属材料的超表面的调控效率的理论上限为25%[16] 。 “金属薄膜—电介质—金属微结构”设计方法的 提出为反射模式下利用超表面实现对光波振幅、 相位、偏振的高效率调控提供了一种有效途径。 例如，英国伯明翰大学S. Zhang教授及其研究团 队在2015年利用这种设计方式在反射模式下实现 了对光场圆偏振态的高效率转换[17] 。他们进一步 通过引入几何相位的方式实现了对偏振转换光波 相位的有效控制，进而在超表面中实现了效率高 于 80%的全息成像，如图 4 所示。在该类设计 中，金属薄膜和微结构间光波的多次反射和干涉 效应极大地增强了微结构与光波的相互作用强 度，从而有效地提高了超表面对光波的调控效率。 电介质材料在超表面设计中的广泛应用则从根本 上解决了超表面光波调控效率较低这一问题[18] 。在 光波波段，电介质材料(例如硅、氧化钛等)与光波 能够产生较强的相互作用且在相互作用的过程中几 乎没有损耗产生，因此基于电介质材料的超表面在 光波调控方面具有极高的效率。例如，澳大利亚国 图5 电介质超表面实现全息成像[19] (a)电介质超表面样品在 扫描电子显微镜下的俯视图；(b)电介质超表面实现的全息图像 · 224 ·

立大学 L. Wang等人利用基于硅材料的超表面实现 了对光波相位的高效率调控,从而在透射模式下 非线性几何相仁 非线性多路全息成像 实现了效率高于90%的全息成像,如图5所示明 对光波调控效率的显著提高使得超表面在光 波调控硏究领域逐渐凸显出其重要地位。硏究人 员发现超表面不仅能够对光波的振幅、相位、偏 咔线性手性成像 振和频率单独地进行控制,还能够进一步实现对 这些参量的联合调控。目前,基于超表面实现对 光波的两个参量的联合调控是超表面光波调控研 究中的热门方向,相关研究具有广泛的应用前 景,如图6所示。可以看出,进一步实现对光 光子自旋一轨道耦合 光衍射强度控制 波的任意多个参量的联合控制是超表面光波调控 高分辨率全息成像 研究的未来发展趋势。2017年国家自然基金科学 图6超表面光波双参量调控及其应用方向 委员会发布新型光场调控物理及应用重大研究计 划,将超材料与超表面等人工纳微结构调控光场 的产生、传输、操控与表征的相关硏究列为新型 光场多维度精确构建、调控及表征方向的三个主 要研究内容之一,突显了我国对相关领域关键技 术原理的重大需求。 少层超表面 研究人员在超表面中采用电介质材料来增强 超表面光波调控效率的同时,提出了超表面少层 设计用以在透射模式下增强基于金属材料的超表 面对光波的调控效率。2013年,美国洛斯阿拉莫 斯国家实验室H.T.Chen教授及其研究团队通过 在超表面的前向和后向引入两个正交光栅的方式 在透射模式下分别实现了对光波偏振态和相位的 高效率调控,如图7所示叫。该工作被认为是基 于光波多次反射和干涉原理在透射模式下实现超 表面对光波高效率调控的代表性工作。与“金属 图7一种典型的超表面少层设计叫(a)超表面少层设计在 薄膜一电介质一金属微结构”设计方法的原理类 透射模式下实现高效率的光偏振态垂直转换的示意图;(b超 表面少层设计在透射模式 亚波长尺度高效率光相位 似,光栅结构和微结构间光波的多次反射和干涉 周控,进而实现光波前操控的示意图 效应极大地增强了微结构与光波的相互作用强 度,从而有效地提高了超表面对光波的调控效和层间波导效应等其他光与微结构相互作用机制 率。超表面的少层设计模式不仅能够利用光波在进一步为光波的多参量调控提供了新的设计自由 层间的多次反射和干涉效应来有效增强对光波的度,进而实现了许多超表面中无法实现的新光学 调控效率,少层设计中存在的层阃共振耦合模式现象。例如,通过利用双层矩形镂空结构间的层间

· 48卷 (2019 年) 4 期 立大学L. Wang等人利用基于硅材料的超表面实现 了对光波相位的高效率调控，从而在透射模式下 实现了效率高于90%的全息成像，如图5所示[19] 。 对光波调控效率的显著提高使得超表面在光 波调控研究领域逐渐凸显出其重要地位。研究人 员发现超表面不仅能够对光波的振幅、相位、偏 振和频率单独地进行控制，还能够进一步实现对 这些参量的联合调控。目前，基于超表面实现对 光波的两个参量的联合调控是超表面光波调控研 究中的热门方向，相关研究具有广泛的应用前 景，如图 6 所示[20] 。可以看出，进一步实现对光 波的任意多个参量的联合控制是超表面光波调控 研究的未来发展趋势。2017年国家自然基金科学 委员会发布新型光场调控物理及应用重大研究计 划，将超材料与超表面等人工纳微结构调控光场 的产生、传输、操控与表征的相关研究列为新型 光场多维度精确构建、调控及表征方向的三个主 要研究内容之一，突显了我国对相关领域关键技 术原理的重大需求。 4 少层超表面 研究人员在超表面中采用电介质材料来增强 超表面光波调控效率的同时，提出了超表面少层 设计用以在透射模式下增强基于金属材料的超表 面对光波的调控效率。2013年，美国洛斯阿拉莫 斯国家实验室 H. T. Chen 教授及其研究团队通过 在超表面的前向和后向引入两个正交光栅的方式 在透射模式下分别实现了对光波偏振态和相位的 高效率调控，如图 7 所示[21] 。该工作被认为是基 于光波多次反射和干涉原理在透射模式下实现超 表面对光波高效率调控的代表性工作。与“金属 薄膜—电介质—金属微结构” 设计方法的原理类 似，光栅结构和微结构间光波的多次反射和干涉 效应极大地增强了微结构与光波的相互作用强 度，从而有效地提高了超表面对光波的调控效 率。超表面的少层设计模式不仅能够利用光波在 层间的多次反射和干涉效应来有效增强对光波的 调控效率，少层设计中存在的层间共振耦合模式 和层间波导效应等其他光与微结构相互作用机制 进一步为光波的多参量调控提供了新的设计自由 度，进而实现了许多超表面中无法实现的新光学 现象。例如，通过利用双层矩形镂空结构间的层间 图6 超表面光波双参量调控及其应用方向[20] 图7 一种典型的超表面少层设计[21] (a)超表面少层设计在 透射模式下实现高效率的光偏振态垂直转换的示意图；(b)超 表面少层设计在透射模式下实现亚波长尺度高效率光相位 调控，进而实现光波前操控的示意图 · 225 ·