1.2 超表面简介

1.2.1 从超材料到超表面

从超材料的起源不难看出，最初的超材料呈现三维立体式结构，这种结构在高频波段加工难度大，材料损耗高，因此最初仅在微波波段进行论证。为了更高效、更便捷地对电磁波进行操控，超表面应运而生。它可以看作超材料的二维形式（见图1.3），是由大量的亚波长人工结构在二维平面上周期性或非周期性排布而成的结构。

图1.3 超表面结构示意，通过超表面提供的面电流和面磁流突变，可实现从入射场到出射场的任意转换[11]

由于超表面的厚度远小于波长，根据电磁场的等效原理[10-11]，超表面可以被看作不连续性边界，通过结构设计产生特定的表面电流和表面磁流，通过界面效应将任意形态的入射波转化为理想出射波。

早期的超表面采用亚波长尺度的金属谐振结构实现了滤波和偏振转换等功能[12-13]，与传统的频率选择表面类似。直到2011年，哈佛大学的Capasso教授课题组首次提出了梯度相位超表面的概念[14]。如图1.4所示，其利用一组具有不同臂长和开口大小的V形金属天线，人工构造了空间梯度相位突变，从而打破了传统斯涅耳定律，可灵活控制反射或透射波束的方向，发展了具有里程碑意义的广义斯涅耳定律。

图1.4 V形金属天线超表面通过梯度相位突变实现波束方向控制[14]