1.2.2 超表面的研究现状
自2011年起，基于超表面的光场调控器件如雨后春笋般出现，在光学领域掀起了从经典宏观器件向微型平面化、阵列化器件的变革浪潮，实现了偏振变换[15]、超薄平面透镜[16]、全息成像[17]、特殊结构光束的产生[18]等一系列功能。这些研究起初多采用了单层金属谐振结构。其优点在于厚度远远小于波长，但缺点也较为明显，即能量利用率低[19]，且相位调控能力有限，相位、振幅和偏振态等多参量无法独立进行调控。
随后，科学家们给超表面结构加上金属背板，封闭了透射窗口，利用金属结构—介质—金属（metal-insulator-metal，MIM）来操控反射波束，这赋予了反射波极高的能量利用率和任意的相位调控能力。2013年，Pors等[20]利用金纳米砖在可见光波段实现了反射式宽带柱透镜，理论效率高达78%。如图1.5（a）和图1.5（b）所示，复旦大学的周磊教授课题组采用矩形纳米砖结构实现了宽带反射式偏折器和超宽带全息成像，能量效率达80%[21-22]。
全介质超表面相比金属超表面具有材料吸收损耗低、电磁谐振模式丰富的优势，加之可采用传统半导体工艺一次加工成形，对于发展紧凑型光学器件更具优势。2014年，Lin等[23]利用全硅介质超表面基于几何相位的原理设计了透射式偏折器、贝塞尔光束产生器[见图1.5（c）]和超透镜。Shalaev等[24]采用硅超表面实现了透射式光束偏折器和涡旋光束产生器，其能量效率分别为36%和45%。Arbabi等[25]基于硅超表面设计的超透镜在数值孔径大至0.97的情况下聚焦效率达82%，如图1.5（d）所示。与金属超表面相比，全介质超表面稍厚，其厚度常与工作波长相比拟。
随着超表面工作效率的提高，科学家们开始利用波长、偏振等通道将多种功能集成在一个超表面上，利用人工结构的灵活性实现多功能超表面。武汉大学的付娆等通过单独控制振幅和相位，实现了正交偏振态下的双通道全息图[26]，如图1.6（a）所示。北京理工大学的黄玲玲教授团队采用两种单元构成的复合超表面在白光照明下实现了彩色全息图[27]，如图1.6（b）所示。Arbabi等利用介质硅柱超表面实现了相位和偏振的独立控制，并由此设计了偏振分束器和偏振复用全息图[28]。武汉大学的李子乐等[29]利用马吕斯定律调控超表面的振幅，再结合超表面的传输相位将一个近场纳米印刷成像和两个远场全息图像集成到一个器件上，增加了信息容量。Boroviks等利用反射式金属超表面将入射的x和y偏振光聚焦至不同的空间位置。济南大学的高嵩等[30]利用矩形硅柱超表面使两种正交偏振光分别发生偏折和聚焦，如图1.6（c）所示。本书作者所在课题组利用超表面相位随入射角度变化的特性构造了入射角度复用的波束偏折器件和偏振控制器件[31-32]。如图1.6（d）所示，Kamali等设计了角度复用的全介质全息图[33]。复旦大学的张惜月等则在入射角度的变化过程中实现了完美镜面反射向半波片功能的过渡转化[34]。
图1.5 典型金属反射式及电介质透射式超表面功能器件
为了动态改变超表面的功能，研究人员利用诸如石墨烯、Ge2Sb2Te5（GST）、液晶等外场可控的材料研制了动态可调谐超表面，通过外加电压、磁场、光场等方式对材料的电磁特性进行调节，以实现开关式或可连续调谐的功能器件。对于石墨烯，可通过外加电压调节费米能级来改变电导率。2018年，Biswas等将石墨烯条带置于介质谐振腔上，在不改变器件几何结构的情况下利用门控电压调整相位分布，实现了隐身、场聚焦和异常偏折等功能的动态转化[35]。2020年，华中科技大学的陈林课题组通过调整石墨烯条带的化学势来改变相位梯度以调整固定频率处的波束出射角度[36]，如图1.6（e）所示。Chu等在2016年研究了GST在不同温度下处于不同晶态时的振幅调制特性，并通过合理排布晶态和非晶态单元实现了光束的动态偏折[37]，如图1.6（f）所示。液晶与超表面结合，实现了调制器、可调谐天线、可编程波束扫描等一系列功能[38]。此外，还可通过机械方式实现动态超表面器件。Malek等将金纳米砖嵌入柔性聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）衬底，拉伸衬底之后改变其相位分布，从而实现了透射式全息图的切换[39]。Kamali等将硅嵌入PDMS，从而实现在915 nm处，衬底拉伸程度达50%的情况下，在600～1400μm动态调节焦距[40]。
图1.6 功能复用及可调谐超表面
以上从材料和功能的角度梳理了超表面器件的发展历程，不难看出，超表面器件呈现从金属向全介质、从单功能向多功能、从被动向主动调控的总体发展趋势。随着基础理论的逐渐完备和加工工艺的日趋成熟，超表面器件在替代和超越传统器件方面展现出巨大的潜力。