光控電磁超材料研究進(jìn)展

柏 林 張信歌 蔣衛(wèi)祥 崔鐵軍

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院毫米波國家重點實驗室 南京 210096)

1 引言

自然界現(xiàn)有的材料很難滿足人類自由靈活地操控電磁波的愿望，尤其是在千兆赫茲、太赫茲和光波等高頻段。此需求促使了電磁超材料這個新物理領(lǐng)域的出現(xiàn)。超材料是一種由周期或非周期排列的亞波長單元組成的人工結(jié)構(gòu)，具有許多自然界材料所不具備的特殊性質(zhì)[1]。通過設(shè)計單元結(jié)構(gòu)的幾何形狀和排列方式，可以隨意調(diào)控其電磁參數(shù)，實現(xiàn)一些奇異功能，例如負(fù)折射率[2]、隱身[3–10]、完美透鏡[11,12]和全息成像[13–16]等。超表面作為超材料的二維特殊形式[17]，相比而言具有低損耗、超薄、低成本、加工簡便和易于集成等優(yōu)點。超材料和超表面還進(jìn)一步拓展到聲學(xué)[18–21]、光學(xué)[22–25]、熱力學(xué)[26–29]等領(lǐng)域，相關(guān)研究成果層出不窮。

上述工作大多數(shù)都是不可動態(tài)調(diào)控的無源超材料(超表面)，其功能和特性在加工完成后便已固化。為克服無源超材料的局限性，研究人員對有源超材料進(jìn)行了廣泛研究，通過外部激勵來動態(tài)改變超材料的電磁特性。目前，常用的控制手段包括電控[30–32]、溫控[33–35]、機(jī)械控制[36–38]和光控[39–68]等。精心設(shè)計的有源超材料不僅可以改變工作頻率，拓寬工作帶寬，還能實現(xiàn)多功能切換，產(chǎn)生復(fù)雜形狀的波束，特別是可編程超材料，能夠在單一平臺上完成對電磁波的實時調(diào)控[30]?？烧{(diào)超材料的出現(xiàn)解決了實際應(yīng)用方面的迫切需求，推動了該領(lǐng)域的快速發(fā)展，成為超材料研究的前沿。

現(xiàn)有的控制方法中，電控一般需要大量導(dǎo)線、外部電源和復(fù)雜的控制電路為超材料提供直流控制信號。一般而言，外部電源和控制電路需要通過導(dǎo)線與超材料相連，這將增加系統(tǒng)的體積，甚至帶來直流和電磁信號間的串?dāng)_。溫控對工作環(huán)境的要求很高，改變溫度需要耗費大量的時間和能源，轉(zhuǎn)換效率較低，成本較高，難以實現(xiàn)快速調(diào)控，并且溫度調(diào)控僅適用于對超材料進(jìn)行整體調(diào)控，可編程性受到限制，可調(diào)功能有限。機(jī)械控制的方式同樣需要大量導(dǎo)線和復(fù)雜外部控制設(shè)備，成本較高，系統(tǒng)體積較大，并且機(jī)械調(diào)節(jié)方式也難以實現(xiàn)快速調(diào)控。相比而言，光控的調(diào)制速度比溫控、機(jī)械控快，具有超快調(diào)制速度和開關(guān)能力；同時光控方式無需大量物理導(dǎo)線連接和額外控制電路，外部光源既可以充當(dāng)電壓源又可以充當(dāng)控制器，還能實現(xiàn)遠(yuǎn)程無接觸式調(diào)控，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，是未來動態(tài)超表面一個重要的研究方向。

本文結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)概述光控電磁超材料的研究進(jìn)展，按照直流(2.1節(jié))、微波(2.2節(jié))、太赫茲(2.3節(jié))和可見光(2.4節(jié))4個不同工作頻段分別介紹了現(xiàn)有幾個光控超材料和超表面工作，并重點介紹它們的工作機(jī)制和應(yīng)用場景。最后在第3節(jié)對光控超材料領(lǐng)域進(jìn)行總結(jié)和展望。

2 光控電磁超材料與超表面

不同工作頻段的光控有源超材料需根據(jù)頻段自身的特點，選擇不同調(diào)控方法。在直流情況下，通常使用的光調(diào)制器件是光敏電阻，照射光強(qiáng)改變時光敏電阻的阻值會發(fā)生變化，而變?nèi)荻O管和“正-本征-負(fù)”(Positive-Intrinsic-Negative,PIN)二極管等微波器件則不適用于直流頻段。同樣在太赫茲頻段，變?nèi)荻O管和PIN二極管等微波器件的損耗變大，且較大體積也不適用于太赫茲的單元設(shè)計，而半導(dǎo)體硅、砷化鎵、鍺和金屬氧化物二氧化釩(VO2)等材料的介電常數(shù)可以通過改變照射光強(qiáng)來調(diào)控。光頻段常用的光調(diào)控材料包括透明導(dǎo)電氧化物、二維材料、相變材料、硅和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料等，除此之外還存在利用兩束相干光束相互作用的調(diào)控方法。在微波頻段，變?nèi)荻O管和PIN二極管本身并不具有光控特性，它們是通過改變直流偏壓來調(diào)控的。為了實現(xiàn)光控，需要添加光電二極管為變?nèi)荻O管或PIN二極管提供直流偏壓，光電二極管所產(chǎn)生的電壓會隨著照射光強(qiáng)的增加而增加。本文將按照直流、微波和太赫茲的順序?qū)饪爻牧线M(jìn)行總結(jié)和概述。

2.1 光控變換靜電學(xué)超材料

2006年，Pendry等人[3]提出了基于超材料的變換光學(xué)概念，其原理是利用麥克斯韋方程組的形式不變性，對電磁場進(jìn)行坐標(biāo)變換。變換光學(xué)為任意調(diào)控電磁場提供了一種全新方法，廣泛應(yīng)用于設(shè)計隱身斗篷[4–10]、電磁波集中器[69,70]、電磁波旋轉(zhuǎn)器[71]等。2012年，東南大學(xué)與蘭州大學(xué)研究者[72]合作實現(xiàn)了一種利用電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的直流場隱形斗篷(圖1(a))，將變換光學(xué)的理論引入靜電場或恒流場，稱為變換靜電學(xué)。但上述隱身斗篷是無源的，只能對特定形狀的物體進(jìn)行隱身，且隱身效果不能改變。2013年，東南大學(xué)與蘭州大學(xué)研究者[73]又合作設(shè)計了有源直流隱身衣(圖1(b))，通過改變邊界處的電壓分布，實現(xiàn)對不同物體的隱身或幻象。d

圖1 變換靜電學(xué)超材料Fig.1 Transformation direct-current metamaterials

為了實現(xiàn)對直流隱身衣的遠(yuǎn)程無接觸式調(diào)控，2015年，文獻(xiàn)[39]利用光敏電阻設(shè)計了一種根據(jù)照射光強(qiáng)度調(diào)控的多功能變換靜電學(xué)超材料，如圖1(c)所示。當(dāng)外部光源為關(guān)狀態(tài)時，超材料是一個直流隱身斗篷，預(yù)先設(shè)計好的電阻網(wǎng)絡(luò)可以恢復(fù)等電位線，使位于中心區(qū)域的物體不可見。當(dāng)外部光源為開狀態(tài)時，超材料變成一個可調(diào)的靜電幻象設(shè)備，調(diào)節(jié)照射光的強(qiáng)度，被感知的虛擬物體大小和材料屬性隨之相應(yīng)改變。其設(shè)計原理首先是根據(jù)變換光學(xué)理論設(shè)計隱身衣的電阻網(wǎng)絡(luò)，然后在普通電阻上并聯(lián)光敏電阻。光敏電阻的阻值隨照射光強(qiáng)而改變，虛擬空間的幻象物體可以通過照射光強(qiáng)來遠(yuǎn)程調(diào)控。圖1(c)是用印刷電路板和電阻網(wǎng)絡(luò)加工得到的實物圖，測試和仿真的電位分布結(jié)果如圖1(d)—圖1(g)所示。當(dāng)照射光關(guān)閉時，超材料是一個直流隱身斗篷，設(shè)備外等電位線分布如圖1(d)，與圖1(e)仿真得到的沒有物體的均勻空間結(jié)果基本一致。當(dāng)照射光打開時，超材料是一個可調(diào)的靜電幻象設(shè)備，圖1(f)是照射光強(qiáng)為11000 lm，對應(yīng)光敏電阻為114 Ω時的測試結(jié)果，圖1(g)是對應(yīng)的幻象物體的仿真結(jié)果，與圖1(f)設(shè)備外的等電位線分布基本一致。該設(shè)計驗證了利用外部光源遠(yuǎn)程調(diào)控變換靜電學(xué)設(shè)備的可行性，未來有望拓展到其他遠(yuǎn)程調(diào)控的多功能設(shè)備中。

2.2 光控微波超材料與超表面

圖2 SRR結(jié)構(gòu)的光控超材料Fig.2 Light-controlled metamaterials with SRR structures

在微波頻段，加載變?nèi)荻O管的開口諧振環(huán)(Split-Ring Resonator,SRR)是一種典型的可調(diào)非線性單元結(jié)構(gòu)，可以用來設(shè)計可調(diào)磁諧振超材料，實現(xiàn)功率誘導(dǎo)的波束調(diào)控。2011年，Kapitanova等人[40]提出了一種新型可調(diào)超材料，可以通過外部光源，對超材料進(jìn)行寫入和擦除的特定功能(圖2(a))。這里使用了兩層SRR的耦合結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)明暗模式之間的諧振響應(yīng)，光電二極管為變?nèi)荻O管提供偏壓，因此改變光照強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)SRR的磁諧振。由圖2(b)可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度從0 lx增加到4000 lx，SRR的諧振頻率從2.20 GHz變化到2.23 GHz，證明了單元的諧振頻率與光強(qiáng)相關(guān)。該工作結(jié)合光電二極管和變?nèi)荻O管實現(xiàn)光控的方法，為微波頻段光控超材料的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。但該設(shè)計的光強(qiáng)是對超材料進(jìn)行整體調(diào)控，只能對諧振頻率進(jìn)行微調(diào)，距離實際應(yīng)用還很遠(yuǎn)。于是該課題組Shadrivov等人[41]又設(shè)計了一種用一排發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)控制SRR的超材料，每個LED可以獨立連續(xù)地控制一個超材料單元，通過改變LED的光照圖案，超材料的反射特性也隨之改變。該工作中同樣是使用光電二極管為變?nèi)荻O管供電，隨著光照強(qiáng)度增加，光電二極管產(chǎn)生的偏置電壓增加，SRR發(fā)生相位偏移，由此實現(xiàn)了波束偏折、聚焦(圖2(d))和發(fā)散(圖2(e))等功能。值得注意的是，該工作中每個超材料單元可以通過光照強(qiáng)度獨立調(diào)控，是光控多功能超材料的雛形，可實現(xiàn)更多復(fù)雜功能。

傳統(tǒng)超材料一直圍繞等效媒質(zhì)理論設(shè)計，其連續(xù)的特性被歸類為“模擬超材料”。2014年，東南大學(xué)Cui等人[30]從信息科學(xué)角度研究超材料，摒棄等效媒質(zhì)的表征方法，創(chuàng)造性地提出用數(shù)字編碼來表征超材料的新思想。數(shù)字編碼超材料可以用二進(jìn)制比特數(shù)來量化相位響應(yīng)為0～2π的單元，N比特超材料或超表面需要2N個離散相位來表征單元的特性。例如，最簡單的1比特編碼超表面的單元具有兩個離散的相位狀態(tài)，相位相差180°，用數(shù)字“0”和“1”表示。采用編碼超材料的機(jī)制，可以更靈活地調(diào)控電磁波的不同特性，具有良好的自主設(shè)計性。

2018年，文獻(xiàn)[42]將光控方法與編碼超表面結(jié)合，設(shè)計了一種1比特光控數(shù)字編碼超表面，通過控制光源的開關(guān)實現(xiàn)反射波為主波束和兩波束兩種功能的切換(圖3(a))。如圖3(b)所示，超表面是由6×6個超級子單元組成的，每個超級子單元又包括6×6個數(shù)字單元，每個數(shù)字單元的縫隙中都集成了一個變?nèi)荻O管，一個超級子單元中的所有數(shù)字單元共享相同的偏置電壓，具有相同的相位響應(yīng)。超表面左側(cè)固定了一排PIN硅光電池為超表面提供電壓，光源部分是由一排LED并聯(lián)組成的，通過控制照射在硅光電池上的LED的光強(qiáng)，硅光電池產(chǎn)生的直流偏壓也相應(yīng)改變。為了降低成本、簡化實驗過程，文章中選用兩種編碼序列“000000”和“010101”來證明光控數(shù)字編碼超表面的可行性。將超表面第2,4,6列超級子單元與硅光電池相連，控制光源的開關(guān)即可實現(xiàn)兩種不同的反射波束。該工作解決了傳統(tǒng)可調(diào)編碼超表面饋線復(fù)雜問題，實現(xiàn)對編碼超表面遠(yuǎn)程的多功能調(diào)控。

但由于光源陣列和超表面設(shè)計的限制，文獻(xiàn)[42]中的超表面是窄帶的，且只能在整體或者一維方向進(jìn)行調(diào)控，僅實現(xiàn)了兩種功能的切換，大大限制了可調(diào)編碼超表面的可編程性。伴隨著無線通信十年一代的發(fā)展更新和電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，設(shè)計高集成化、寬帶、多任務(wù)并行處理且具有強(qiáng)可編程能力的通信系統(tǒng)和電磁器件成為未來的發(fā)展趨勢和研究熱點。2020年，文獻(xiàn)[43]設(shè)計并實現(xiàn)了一種寬帶的光驅(qū)動可編程數(shù)字編碼超表面(圖4(a))，大規(guī)模光源陣列可對電磁功能進(jìn)行編程，解決了傳統(tǒng)多通道電控超表面需要大量的導(dǎo)線和復(fù)雜的控制器帶來的困擾，同時實現(xiàn)了非接觸式遠(yuǎn)程的光控方式。該工作精心設(shè)計了一個基于變?nèi)莨艿膶拵С砻鎲卧?×4個超表面單元組成一個子陣列，每個子陣列背后都集成了一個基于硅光電池的光傳感網(wǎng)絡(luò)。整個超表面包含6×6個子陣列，36個光傳感網(wǎng)絡(luò)相對獨立，可單獨控制。為了遠(yuǎn)程調(diào)控所加工的光驅(qū)動可編程平臺，研究者還設(shè)計制作了一臺包含6×6個聚光燈的光源陣列，設(shè)計的光傳感網(wǎng)絡(luò)能夠接收不同強(qiáng)度的可見光，然后產(chǎn)生不同的偏置電壓，進(jìn)而實時調(diào)控超表面的微波反射相位。實驗在微波暗室中進(jìn)行，如圖4(b)所示，不同的光照圖案照射在數(shù)字平臺，實現(xiàn)了微波外部隱身、電磁幻覺和動態(tài)渦旋波束調(diào)控等功能，數(shù)值仿真結(jié)果(圖4(c)—圖4(e))與實驗結(jié)果(圖4(f)—圖4(h))都驗證了該平臺的可編程性。由于集成的光傳感網(wǎng)絡(luò)既能充當(dāng)外部直流電源，也能充當(dāng)控制器，因此與傳統(tǒng)的包含外部電源、大量導(dǎo)線和控制器的電控超表面相比，所研制的光驅(qū)動可編程數(shù)字超表面平臺具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊且可無線遠(yuǎn)程調(diào)控等優(yōu)點。該工作成為光信號與微波信號轉(zhuǎn)換的橋梁，為未來發(fā)展光電混合器件和可見光微波融合通信系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 1比特光控數(shù)字編碼超表面[42]Fig.3 1-bit light-controlled digital coding metasurface[42]

圖4 光驅(qū)動可編程數(shù)字編碼超表面[43]Fig.4 Light-driven digital metasurface for programming electromagnetic functions[43]

現(xiàn)有編碼超表面基本上都是反射式，且編碼方式都是基于電磁波的相位響應(yīng)[15,30,42,43,74,75]。除相位響應(yīng)之外，幅度響應(yīng)也是電磁波的一個重要性質(zhì)，例如頻率選擇表面[76–79]、吸波器[80–82]、天線罩[83,84]、低副瓣天線[85,86]等設(shè)備都是利用了對幅度的調(diào)制。2018年，文獻(xiàn)[44]設(shè)計了一種透射式光控編碼超表面，通過調(diào)節(jié)照射光的強(qiáng)度和入射波頻率，編碼超表面的透射狀態(tài)可以自由切換。圖5(a)是所提出的透射式光控編碼超表面的數(shù)字單元，其上表面金屬層中有一個圓環(huán)縫隙，一個變?nèi)荻O管加載在縫隙上連接內(nèi)外金屬片，PIN硅光電池陣列為數(shù)字單元提供直流偏壓。當(dāng)變?nèi)荻O管的電容值分別為2.67 pF和0.63 pF時，數(shù)字單元透射系數(shù)S21的幅值如圖5(b)所示，可以觀察到單元有兩個諧振模式(i)和(ii)，圖中橙色區(qū)域代表數(shù)字單元的兩個工作頻段。這里定義透射幅度低于–13 dB為“0”單元，透射幅度高于–1 dB為“1”單元。為了驗證透射式幅度可調(diào)超表面的可行性，該工作對超表面進(jìn)行了加工測試，樣品實物圖如圖5(c)所示。以列控編碼為例，在第1工作頻段編碼序列為“01010”(圖5(d))，而在第2工作頻段編碼序列切換為相反狀態(tài)“10101”(圖5(e))，展現(xiàn)了完美的幅度可調(diào)特性。這個透射式光控超表面從一個新的角度設(shè)計編碼超表面，豐富了光控超表面的功能和應(yīng)用場景，未來可用于實現(xiàn)高性能透波調(diào)控器件。

圖5 透射式光控編碼超表面[44]Fig.5 Light-controlled transmission-type digital coding metasurface[44]

與可見光調(diào)控機(jī)制相比，紅外調(diào)控方法具有更長的遠(yuǎn)程控制距離和更高的能源效率，并且紅外線是不可見光，可以更有效地避免環(huán)境光的影響。2020年，文獻(xiàn)[45]將紅外傳感器引入可編程超表面，設(shè)計了一種紅外調(diào)控可編程超表面，利用紅外線和現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)實時調(diào)控超表面波束分裂和波束掃描的功能。如圖6所示，紅外接收模塊、FPGA控制器和可編程超表面連接在一起。研究者首先將預(yù)先設(shè)計好的編碼序列儲存在FPGA中，然后利用紅外線動態(tài)選擇所需的編碼序列，F(xiàn)PGA將直流控制信號傳輸?shù)匠砻?，調(diào)控超表面的反射相位。為了簡化控制電路，實驗環(huán)節(jié)采用了列控的方法。編碼序列為“00000000”時超表面沒有發(fā)生相位變化，產(chǎn)生鏡面反射；對于兩個交替編碼序列“01010101”和“00110011”，超表面分裂成兩個對稱的波束，這兩個編碼序列對應(yīng)的波分裂波束方向不同，產(chǎn)生了波束掃描效應(yīng)。

2.3 光控太赫茲超材料與超表面

圖6 紅外調(diào)控的可編程超表面的功能示意圖[45]Fig.6 Illustration of the infrared-controlled programmable metasurface[45]

電磁誘導(dǎo)透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)是發(fā)生在三能級原子體系中的量子干涉效應(yīng)，表現(xiàn)為當(dāng)兩束電磁波照射到某種不透明介質(zhì)上時，在寬帶吸收譜內(nèi)出現(xiàn)了窄帶的透明窗口，介質(zhì)不再吸收能量[87]。該效應(yīng)可以有效改變介質(zhì)的色散特性，為設(shè)計慢光器件、超靈敏傳感器件、非線性器件等開辟了新的途徑。在太赫茲頻段，EIT效應(yīng)可廣泛應(yīng)用于太赫茲諧振器和吸波器，豐富了EIT在整個頻譜范圍內(nèi)的研究。近年來，由于超材料具有設(shè)計靈活、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，利用超材料實現(xiàn)EIT效應(yīng)成為研究熱點。設(shè)計EIT超材料的一個經(jīng)典結(jié)構(gòu)是由金屬短線(Cut Wire,CW)和SRR組成的，利用兩種結(jié)構(gòu)之間的近場耦合產(chǎn)生EIT效應(yīng)。但傳統(tǒng)的EIT超材料存在透射帶寬較窄、透射頻點和透射率固定等缺點，限制了EIT超材料的實際應(yīng)用。基于上述背景，2012年，文獻(xiàn)[46]提出了一種在單元結(jié)構(gòu)中嵌入光敏材料硅的光控EIT超材料，如圖7(a)所示，由兩個方形SRR和一個CW組成。隨著光照強(qiáng)度的增加，半導(dǎo)體硅的電導(dǎo)率相應(yīng)增加，從而改變單元的透射幅度，實現(xiàn)透射率的光控可調(diào)。圖7(b)給出了不同功率光的激勵下，歸一化透射系數(shù)的仿真結(jié)果。沒有光照時，在0.74 THz處透射率為85%；當(dāng)激勵光功率增加到1000 mW時，透射峰消失，透射率減小到50%；當(dāng)激勵光功率調(diào)到最大的1350 mW時，透射率降低至43%，完成了EIT峰值由開到關(guān)的調(diào)制。2019年，文獻(xiàn)[47]也設(shè)計了一種太赫茲光控的EIT超材料，如圖7(c)所示。與上一個工作類似，該工作中的SRR是一個圓形結(jié)構(gòu)，將光敏材料硅嵌入SRR的開口處，通過改變光照強(qiáng)度控制硅的電導(dǎo)率，從而調(diào)節(jié)EIT的透射率。圖7(d)給出了不同電導(dǎo)率下，EIT超材料的透射譜。沒有光照時，硅的電導(dǎo)率為1 S/m，透射譜在1.33 THz呈現(xiàn)出的透射率為94%的透明窗口；硅電導(dǎo)率為5000 S/m時，透射率變?yōu)?8%；電導(dǎo)率為15000 S/m時，透射峰消失，整個調(diào)控效率可達(dá)66%。

近年來，基于超材料的吸波器成為研究熱點，太赫茲吸波器在太赫茲通信、成像、隱身、傳感等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。但是傳統(tǒng)太赫茲吸波器帶寬較窄、吸收頻點和吸收率固定，在一定程度上限制了吸波器的發(fā)展。光控有源超材料通常有兩種實現(xiàn)方式：一是控制光的開關(guān)狀態(tài)，二是調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度。第1種方法只有兩種狀態(tài)難以實現(xiàn)多功能可調(diào)，第2種方法可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)控，但準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性受到限制。2018年，文獻(xiàn)[48]提出了一種結(jié)構(gòu)光調(diào)控的可調(diào)吸波器，可以通過改變空間光的分布來切換超材料的多種諧振模式，既實現(xiàn)了多種狀態(tài)切換又保證了穩(wěn)定性。超材料單元是由4個非對稱的1/4圓環(huán)組成的多諧振結(jié)構(gòu)，如圖8(a)所示，在4個圓環(huán)縫隙處集成4個光敏硅片，結(jié)構(gòu)光由一系列點光源組成，這些點光源通過人為控制在二維空間產(chǎn)生不同光照圖案，照射在光敏硅片上來切換或組合超材料的諧振模式。圖8(b)給出了不同模式下結(jié)構(gòu)光的空間分布圖以及對應(yīng)的反射系數(shù)，超材料的吸波帶寬和吸波頻率均可調(diào)節(jié)。該工作中工作帶寬和諧振頻率是通過空間光分布來控制的，而不只是簡單光強(qiáng)變化，這種方法具有更好的靈活性和準(zhǔn)確性，有望在太赫茲開關(guān)和太赫茲吸波器等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖7 基于CW和SRR結(jié)構(gòu)的EIT超材料Fig.7 EIT metamaterials based on CW and SRR structures

2019年，文獻(xiàn)[49]設(shè)計了一種光控可調(diào)諧多頻超材料吸收器，其單元結(jié)構(gòu)包含4個長度不同金屬條，如圖8(c)所示。每個金屬條對特定頻率的太赫茲波都具有吸收特性，4種金屬條組合起來構(gòu)成了一個多頻帶吸波單元。在兩對金屬條之間填充光敏介質(zhì)砷化鎵(圖8(c)中紅色區(qū)域)，砷化鎵的電導(dǎo)率會隨著光照強(qiáng)度增加而增加，通過光控可以實現(xiàn)從絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變。圖8(d)給出了吸波率與砷化鎵電導(dǎo)率的關(guān)系曲線?？梢钥闯霎?dāng)電導(dǎo)率較小時，超材料在4個頻段具有吸波特性，隨著電導(dǎo)率增大，吸收頻段由4個變?yōu)?個，且吸波率隨著電導(dǎo)率改變。2020年，文獻(xiàn)[50]也設(shè)計了一個光控多態(tài)太赫茲吸收器，利用不同波長的泵浦光對半導(dǎo)體材料砷化鎵和鍺激發(fā)不同的特性，實現(xiàn)了單頻、雙頻、三頻吸波狀態(tài)任意可切換的超材料吸收器。超材料單元結(jié)構(gòu)由3個嵌套的方環(huán)組成(圖8(e))，在方環(huán)的間隙嵌入具有不同光敏特性的砷化鎵和鍺。無泵浦光照射時，砷化鎵和鍺均處于絕緣狀態(tài)，3個方環(huán)相對獨立，產(chǎn)生3個吸收峰，如圖8(f1)；用1550 nm泵浦光照射時，只有鍺被激發(fā)，增加照射光強(qiáng)，鍺的電導(dǎo)率逐漸增大，3個吸收峰轉(zhuǎn)變?yōu)?個，如圖8(f2)；用800 nm泵浦光照射時，砷化鎵和鍺同時被激發(fā)，隨著光強(qiáng)增加，3個吸收峰轉(zhuǎn)變?yōu)?個，如圖8(f3)。多頻帶的光控吸波器在隱身、探測、成像等方向具有廣泛的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)[51]設(shè)計了一種光控超材料傳感器，通過改變照射光強(qiáng)實現(xiàn)了對超材料諧振峰的調(diào)節(jié)，同時超材料的諧振峰會隨著待測液體的濃度發(fā)生變化，可以用作太赫茲波段液體傳感器。圖9(a)為光控超材料傳感器單元示意圖，SRR頂端有兩個用光敏材料硅填充的縫隙，外部光源可以改變硅的電導(dǎo)率，實現(xiàn)絕緣體與金屬的切換。圖9(b)和圖9(c)給出了不同電導(dǎo)率不同極化下超材料單元的透射幅度。隨著電導(dǎo)率的增加，電場方向垂直于頂端開口方向時，諧振頻率由1.139 THz偏移到0.800 THz；電場方向平行于頂端開口方向時，諧振頻率由雙頻0.645 THz和1.716 THz變化為單頻1.256 THz，在兩個極化方向都具有調(diào)制效果。該工作可以進(jìn)一步應(yīng)用于低密度或薄膜生物樣品的無損檢測。

圖8 基于超材料的太赫茲光控吸收器Fig.8 Light-controlled Terahertz absorbers based on metamaterials

文獻(xiàn)[52]設(shè)計了一種光控太赫茲光子自旋超表面，利用P-B(Pancharatnam-Berry)相位和VO2的光調(diào)制特性設(shè)計了一種可調(diào)的多功能太赫茲光子自旋器件。如圖9(d)所示，單元是一個C字形結(jié)構(gòu)，開口縫隙由VO2填充。P-B相位響應(yīng)是由C字形單元的幾何方向決定的，對入射的左旋和右旋圓極化波具有相反的相位響應(yīng)。在沒有光源激勵的情況下，VO2在太赫茲波段是介電常數(shù)為9的透明絕緣體，當(dāng)足夠強(qiáng)的光照射到VO2上時，電導(dǎo)率激增，絕緣體變?yōu)榻饘?。研究者利用上述單元結(jié)構(gòu)設(shè)計了3種功能可切換的太赫茲器件。圖9(e)是根據(jù)P-B相位由圓形陣列組成的超反射鏡，當(dāng)VO2處于絕緣狀態(tài)時，反射鏡對垂直入射的右旋和左旋圓極化波具有聚焦和發(fā)散的功能，當(dāng)VO2轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贍顟B(tài)時，聚焦和發(fā)散功能消失。圖9(f)和圖9(g)分別為反射式波束分裂和渦旋波發(fā)生器，它們的作用也會隨著VO2狀態(tài)轉(zhuǎn)變而消失。該工作為設(shè)計多功能和可調(diào)太赫茲器件提供了新方法。

2.4 光控光頻段超材料與超表面

隨著當(dāng)今技術(shù)的快速發(fā)展，種類繁多的半導(dǎo)體材料為光控光頻段超材料提供了廣闊的發(fā)展前景，例如透明導(dǎo)電氧化物(如氧化銦錫ITO、摻雜氧化鋅ZnO、摻雜氧化鎘CdO)[53–55]、二維材料(如石墨烯、二硫化鉬MoS2、二硒化鎢WSe2)[56–60]、相變材料(如鍺銻碲合金(Ge:Sb:Te:,GST))[61–64]、硅和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料(如砷化鎵GaAs、鈣鈦礦)等[65–67]。此外，也存在兩束相干光束相互作用的調(diào)控方式[68]。所實現(xiàn)的功能包括諧振頻率可調(diào)、透射反射率可調(diào)、吸波率可調(diào)、折射率可調(diào)、聚焦透鏡焦距可調(diào)等。

圖9 光控超材料傳感器和光子自旋設(shè)備超表面Fig.9 Light-controlled metamaterial sensor and spin-photonic devices based on metasurface

GST是一種基于碲的硫族化物合金，目前可重寫光盤和非易失性電子存儲器都是基于這種材料，具有良好的熱穩(wěn)定性、高的切換速度和大量重寫周期。GST通常包含兩種可以可逆切換的相態(tài)：非結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)。在非結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)之間，介電性能存在巨大的反差，由此產(chǎn)生的折射率變化導(dǎo)致諧振、透射和反射譜發(fā)生變化。文獻(xiàn)[63]使用GST設(shè)計了一種光控納米天線超表面，如圖10(a)所示，兩組不同的納米棒天線A和天線B在空間上交錯排列，使光束折射到相反的方向。根據(jù)GST的狀態(tài)不同，天線A和天線B具有不同的諧振波長。非結(jié)晶態(tài)的天線A和結(jié)晶態(tài)的天線B諧振波長重疊(圖10(b))，由此設(shè)計了一個雙焦距超表面透鏡，根據(jù)聚焦透鏡公式計算出天線A和天線B沿x方向的旋轉(zhuǎn)角度(圖10(c))，對應(yīng)在GST非結(jié)晶態(tài)時焦點在z=0.5 mm處，GST結(jié)晶態(tài)時焦點在z=1.0 mm處，圖10(d)為非結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)時的仿真場強(qiáng)分布，仿真結(jié)果與理論分析吻合較好。

近年來，半導(dǎo)體材料甲基銨鹵化鉛鈣鈦礦(MAPbX3,,X=Cl,Br,I或其他混合物)因其優(yōu)異的光致發(fā)光特性成為研究熱點。文獻(xiàn)[65]利用MAPbX3光柵的外部結(jié)構(gòu)色和內(nèi)部發(fā)射色相互作用，實現(xiàn)了動態(tài)色彩顯示，通過控制泵浦光，可以在納秒級的過渡時間內(nèi)進(jìn)行大范圍的顏色調(diào)諧。其工作原理如圖11(a)所示，白光和泵浦光同時入射到MAPbX3光柵上。外部結(jié)構(gòu)色依賴MAPbX3納米結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，而內(nèi)部發(fā)射色來自MAPbX3的光致發(fā)光特性，由泵浦光功率密度決定。根據(jù)混色理論，將兩種顏色混合即可產(chǎn)生第3種顏色，通過將外部結(jié)構(gòu)色和內(nèi)部發(fā)射色混合，外部結(jié)構(gòu)色作為基色，內(nèi)部發(fā)射色作為微調(diào)，可以動態(tài)和可逆地調(diào)節(jié)所呈現(xiàn)的顏色。圖11(b)為未摻雜光子的大學(xué)校徽顯微鏡圖像。當(dāng)泵浦密度從0增加到22.89 μJ/cm2時，大學(xué)?；盏臐h字從紅色調(diào)到綠色(圖11(c))，產(chǎn)生了明顯的色彩調(diào)控。

圖10 基于GST的光控超表面[63]Fig.10 Optically reconfigurable metasurface based on GST[63]

3 總結(jié)與展望

圖11 動態(tài)顏色顯示的鈣鈦礦納米結(jié)構(gòu)[65]Fig.11 Perovskite nanostructure for dynamic color display[65]

本文介紹了近年來光控電磁超材料的研究進(jìn)展，概述了現(xiàn)有關(guān)于光控超材料和超表面工作，按照工作頻段從直流、微波、太赫茲和光頻段4個方面介紹了它們的工作機(jī)制及應(yīng)用場景。光控方法因具有遠(yuǎn)程調(diào)控、無接觸式控制、調(diào)制速度快和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在短短不到十年里得到了迅速發(fā)展。表1對比總結(jié)了上述光控電磁超材料(超表面)在頻率、光控材料、實現(xiàn)功能和有無實驗結(jié)果等特點。常用的光控方式是利用光敏電阻、光電二極管、半導(dǎo)體材料和金屬氧化物等有源器件和材料的光敏特性來改變超材料和超表面的電磁參數(shù)，目前光控電磁超材料已在隱身、幻象、吸波、多功能切換等領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展。在太赫茲等高頻波段，由于加工成本高、加工工藝復(fù)雜，大部分光控超材料只停留在理論模型和仿真驗證階段，離實際應(yīng)用還有一定距離。近年來，由于可調(diào)超材料(超表面)的快速發(fā)展，相關(guān)綜述論文相繼發(fā)表[88–94]。這些綜述論文各有側(cè)重，展現(xiàn)和總結(jié)現(xiàn)有可調(diào)超材料(超表面)的研究進(jìn)展和動態(tài)。但光調(diào)控仍屬于初步發(fā)展階段，發(fā)展歷程較短，目前尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)綜述文章發(fā)表。本文歸納總結(jié)了現(xiàn)有光控電磁超材料(超表面)的研究現(xiàn)狀，也為未來的研究提供思路和參考。

光控超材料未來的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景包括以下幾個方面：

(1) 光控大規(guī)模超材料

可編程超材料可以在單一平臺上實現(xiàn)多種功能，且可按照編寫好的程序?qū)崟r切換[95]，是未來將超材料推向信息化的基礎(chǔ)。在光控超表面中，文獻(xiàn)[42]提出了一種1比特列控的數(shù)字編碼超表面，實現(xiàn)了兩種功能的切換；文獻(xiàn)[43]設(shè)計了一種2比特的可編程超表面，每個子陣可獨立可編程，實現(xiàn)了幾種完全不同的功能。未來可設(shè)計規(guī)模更大、可控單元數(shù)更多以及比特數(shù)更多的光控可編程超材料，可實時切換更多更復(fù)雜的功能，為超材料的設(shè)計提供無窮的可能性。

表1 光控電磁超材料(超表面)特點總結(jié)表Tab.1 Summary of the characteristics of light-controlled electromagnetic metamaterials (metasurfaces)

(2) 光控自適應(yīng)超材料

現(xiàn)有的光控超材料雖然能夠?qū)崿F(xiàn)任意調(diào)控電磁波，但不同功能的切換仍需通過手動操作來實現(xiàn)，無法脫離人為控制。自適應(yīng)超材料在動態(tài)超材料的基礎(chǔ)上引入傳感器，自動感知周圍環(huán)境或狀態(tài)，并通過實時反饋系統(tǒng)為控制端提供決策，自動調(diào)整超材料的功能，無需人為控制[96]。例如，在光控方面，可以將光學(xué)傳感芯片集成到設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成具有傳感特征的自適應(yīng)超材料。通過結(jié)合定制的控制計算程序以及執(zhí)行電路，自適應(yīng)超材料可以檢測環(huán)境光強(qiáng)度，或者根據(jù)光強(qiáng)定位自主改變功能，為下一代無線系統(tǒng)構(gòu)建具有自主自適應(yīng)可編程功能的智能超材料設(shè)備。未來還可以結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法等人工智能的方法輔助設(shè)計超材料，開發(fā)具有可認(rèn)知能力的超材料和超表面。

(3) 光控時域超材料

傳統(tǒng)超材料和超表面都是調(diào)控電磁波的空間分布，近年來，時域超表面[97–100]為電磁波頻譜分布調(diào)控開辟了新的途徑。例如，利用時域超表面研制的無線通信系統(tǒng)，省去了傳統(tǒng)的模擬或數(shù)字電路，功耗降低，極大地簡化了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的架構(gòu)，同時具有良好的實時信號傳輸性能[97,98]。利用時間-空間聯(lián)合編碼的超表面可以同時調(diào)控電磁波的頻譜和空間分布，實現(xiàn)了許多新奇的物理現(xiàn)象[99,100]。未來可以構(gòu)造光控時域超表面，光和電磁的多物理場融合也將會在物理模型和信息系統(tǒng)中產(chǎn)生新的研究方向。