可調諧光學超構材料及其應用

曹 暾，劉 寬，李 陽,，廉 盟，胡子賢，劉 萱，李貴新*

（1.大連理工大學 光電工程與儀器科學學院，大連 116024；2.南方科技大學 材料科學與工程系，深圳 518055；3. 北京工業(yè)大學 材料與制造學部，北京 100124）

1 引 言

光學超構材料是通過對天然材料進行加工，在其表面或內部形成周期性排列的亞波長結構陣列來獲得的，擁有天然材料所不具備的特殊光學性質。有別于天然材料的“組分決定性質”，光學超構材料的“超?！惫鈱W性質是由材料先天的本征性質和后天人工設計的亞波長結構所共同決定的。1996年，英國科學家Sir John Pendry 提出使用周期性排列的金屬絲能夠實現負的介電常數[1]。隨著納米科學技術的發(fā)展，超構材料作為一類新型的功能材料受到了越來越多的關注。借鑒超構材料的設計思想，人們可以在不違背基本物理學規(guī)律的前提下，通過設計物理結構來突破某些自然規(guī)律的限制，從而獲得具有超常物理性質的“新材料”，把功能材料的設計和開發(fā)帶入一個嶄新的天地。早期的被動光學超構材料，通過將亞波長功能單元排列為周期性的陣列，在亞波長尺度下對光波的傳播特性進行靈活地調控，實現了許多有趣的光學功能，例如：完美透鏡[2-3]、隱形斗篷[4-7]等。然而，被動光學超構材料的材料特性和幾何結構固定，其光學功能難以改變，其光學性能不可調諧。

隨著可調諧光學超構材料領域的不斷發(fā)展，光學超構材料研究逐漸進入了新的階段[8]。目前，可調諧光學超構材料主要分為兩大類。一類是基于活性材料的光學超構材料，將活性材料作為光學超構材料的功能單元或周圍環(huán)境介質的一部分，利用活性材料的光學參數可以隨著熱、電、光、磁等外部刺激的改變而變化的特性，實現動態(tài)操控光波的功能[9]。典型的活性材料有相變材料、石墨烯、半導體、液晶等。另一類是基于結構重構的可調諧光學超構材料[10]，它們通過改變功能單元的排列、形狀和方向，使局部場態(tài)和整個系統(tǒng)的光學響應發(fā)生相應的變化。典型的結構重構方法有采用柔性可拉伸材料、微機電系統(tǒng)（MEMS）等。無論何種可調諧光學超構材料，其調制速度、調制深度、循環(huán)穩(wěn)定性、可逆性和過程復雜性都是衡量超構材料物理調控特性的關鍵因素。

本文系統(tǒng)介紹了可調諧光學超構材料的最新研究進展，主要包括基于活性材料型和結構重構型的可調諧光學超構材料，重點討論了活性材料型光學超構材料的調諧機理、結構重構型光學超構材料的驅動和制造方法。最后，總結了當前可調諧光學超構材料的優(yōu)缺點及其發(fā)展所面臨的問題，并展望了未來可調諧光學超構材料的發(fā)展方向。

2 可調諧光學超構材料的定義及功能

可調諧光學超構材料是一種光學性能主動實時可控的超構材料，其中光學性能主要包括光波的偏振、振幅、頻率及相位等參量[11]。超構材料的作用環(huán)境主要包含結構層和周圍環(huán)境，因此可通過改變超構材料的結構形狀、尺寸大小、用材種類、所處周圍環(huán)境等條件來實現光學性能的可調[12]。值得注意的是，每種條件的改變均會對超構材料的光學性能產生影響，因此需要綜合考慮各種條件，才能設計出具有特定光學性能可調諧的光學超構材料[13]。

隨著材料科學的發(fā)展，近年來涌現出許多對溫度、電場、光場、磁場等外場能量高度敏感的材料。在不同外場的激勵下，這些活性材料的狀態(tài)會發(fā)生變化并表現出不同的光學參數，可用于構建可調諧光學超構材料[14]。此外，從改變超構材料結構的角度，人們利用柔性可拉伸材料、微機電系統(tǒng)（MEMS）等手段來調控超構材料結構形狀和尺寸，以構成結構重構型可調諧光學超構材料[15]。無論是基于活性材料還是結構重構型的可調諧光學超構材料，都在光波的偏振、振幅、頻率及相位調控等方面展現出了出色的能力，實現了多種可調諧的超構材料光學功能器件，如偏振片[16]、吸波器[17]、超構透鏡[18]以及全息[19]等。

3 基于活性材料的可調諧光學超構材料

活性材料是一類光學性能可主動調控的材料，其在外加場的調控下能在不同狀態(tài)間切換并展現出不同的光學參數，可被用作光學超構材料的結構層、介質層或周圍環(huán)境介質，來實現超構材料光學性能的調控。根據活性材料所需的外加驅動場種類，可以將其分為熱驅動、電驅動、光驅動以及磁驅動等可調諧光學超構材料。

3.1 熱驅動可調諧光學超構材料

熱敏材料在熱場作用下，其材料的相態(tài)將發(fā)生變化，進而導致其光學參數改變，利用熱敏材料的這一特性可制得熱驅動可調諧的光學超構材料。二氧化釩（VO2）作為典型的熱敏材料，在68℃下會發(fā)生相變，由絕緣態(tài)變?yōu)榻饘賾B(tài)。已有的研究中基于VO2的超構表面調節(jié)方法主要有直接加熱（加熱臺）、電加熱和光刺激（激光加熱），但其調制速度在一定程度上受到其調制機制本身的限制[20]。熱驅動VO2超構表面在太赫茲（THz）、紅外及可見光波段都展現出一定的振幅調制功能[21-22]。在THz 波段，Min Zhong等人基于VO2研制了一種可調諧的吸收器，其吸收峰數量和吸收頻率均會隨著溫度發(fā)生變化（圖1(a)）[23]。在中紅外波段，VO2在兩種狀態(tài)間的光學參數差異較大，Federico Capasso 等人在該波段利用VO2實現了可調諧的完美吸波器，其調制深度高達80%[24]。在可見光波段，Mu Wang 等人通過在VO2介質層上排列周期性的銀納米柱陣列，構成了一種反射式可調諧的光學超構表面。當溫度升高時，VO2由絕緣態(tài)轉變到金屬態(tài)，其光學參數將發(fā)生變化并影響局部表面等離子體共振，進而導致反射光譜發(fā)生變化，光學超構表面呈現出由綠色到黃色的變色效果（圖1(b)）[25]。

圖1 VO2基熱驅動可調諧光學超構材料。(a)THz波段可調諧吸收器示意圖（左）及其實驗測得的溫控吸收譜線（右）[23]。(b)可見光波段反射式可調諧光學超構表面的示意圖（左）及其在20 ℃和80℃下測得的反射光譜和顏色顯示圖（右），比例尺為30μm[25]。(c)反射式相位可調諧光學超構表面示意圖（左上）及其在1520 nm 和1620 nm 波長處的磁場分布（左下）；超構材料的相位調控與電壓的關系譜線（右）[20]。(d)THz 波段溫控動態(tài)全息超構表面及其在25℃和100℃時的實驗（右上）和模擬（右下）全息圖像[19]Fig.1 Thermally-driven tunable optical metamaterials based on VO2.(a)Schematic of a tunable absorber in the THz region(left)and the measured temperature dependent absorption spectra (right)[23].(b)Schematic of a tunable optical metasurface in the visibleregion (left)and the measured reflection spectra and observed colors at 20℃and 80℃,accordingly(right),scale bar:30μm[25].(c)Schematic of a phase-tunable optical metasurface(top left)and the simulated magnetic field distributions at the two wavelengths of 1520 nm and 1620 nm,respectively (bottom left); the relationship between phase shift of metamaterials and external voltage(right)[20].(d) A temperature-controlled dynamic holographic metasurface in the THz region[19]and the measured(upper right)and simulated(lower right)holographic images at 25℃and 100℃

近年來，基于VO2的光學超構表面相位調制技術也取得了較好的進展。圖1(c)顯示了集成VO2介質層的反射式超構表面，該超構表面具有強的磁共振，VO2層的磁場強度得到很大的增強。在該設計中，電致焦耳熱使得VO2薄膜的光學參量發(fā)生變化，從而導致1520 nm 和1620 nm波長處的磁偶極子共振模式發(fā)生變化。通過調節(jié)VO2薄膜中絕緣態(tài)和金屬態(tài)的體積分數，可以實現高達250°的相位移動，調制速度達到毫秒級[20]。此外，Weili Zhang等人利用VO2材料在THz波段實現了溫控動態(tài)全息功能，其功能單元為C形金屬開口諧振環(huán)。在升溫過程中，全息圖像由“H”變?yōu)椤癎”[19](見圖1(d))。此外，基于VO2的相位可調諧光學超構材料也被用于實現光束的動態(tài)偏轉[26]。

相變化合物作為典型的熱敏材料也被廣泛應用于可調諧光學超構材料中，此類材料在脈沖熱激勵下可以實現非晶態(tài)和晶態(tài)之間的快速轉變，且這兩種狀態(tài)之間具有較大的光學性質差異[27-29]。與VO2相比，相變化合物同樣有直接加熱、電加熱、光加熱三種調控方法，但其晶態(tài)到非晶態(tài)的轉變過程是相變材料經歷快速熔融淬火的過程，目前只能通過納秒乃至飛秒激光或電脈沖在微米級的區(qū)域面積內實現[30]。相變材料苛刻的相變條件限制了它在可調諧光學超構材料中的廣泛應用，但其具有非易失性、不需要維持溫度來保持材料狀態(tài)的優(yōu)點，這使得基于相變材料的超構表面具有更高的穩(wěn)定性和實用性[31]。2013年，Tun Cao等人首次將相變材料引入到超構材料的設計中，設計出一種基于金屬-相變材料-金屬三層結構的中紅外可調諧完美吸波器。通過結晶相變材料，該吸波器的吸收峰從2230 nm 紅移至2460 nm，共振波長的調控范圍高達230 nm（圖2(a)）[32]。此后，英國南安普頓大學Nikolay I.Zheludev 等人利用ZnS/SiO2-相變材料-ZnS/SiO2-Au 多層混合結構，實現了具有400%調諧范圍和10 MHz 調制速度的相變材料基可調諧光學超構材料[33]。近年來，基于相變材料的可調諧光學超構表面被廣泛研究[34-41]。英國牛津大學Harish Bhaskaran 教授等人通過對相變材料基超構表面進行局部振幅調制，實現了高分辨率的結構彩色顯示技術[42-43]?；谙嘧儾牧系目烧{諧超構材料不僅可以實現光波的振幅調制，還可用于光波的相位調制，在可調諧的光束控制[44]和超構透鏡[45]等領域展現出了一定的應用潛力。

圖2 熱驅動可調諧光學超構材料。(a)基于相變材料的可調諧完美吸波器示意圖及相變材料處于非晶態(tài)或晶態(tài)時模擬得到的吸收光譜[32]。(b)電熱驅動的硅基空間光調制器的示意圖及其在3.5 mW 的電驅動下的相位、振幅調制譜線[47]。(c)溫控硅基可調諧光學超構表面示意圖及其溫控可調諧的散射光譜特性[48]。(d)基于SrTiO3的可調諧吸波器的結構示意圖，其中黃色部分為金屬層，灰色部分為光刻膠層（SU-8），藍色部分為SrTiO3層（左），實驗測得的溫控吸收光譜（右）[51]Fig.2 Thermally-driven tunable optical metamaterials.(a)Schematic of a tunable perfect absorber based on phase change material and the simulated absorption spectra of the absorber with the structural states of amorphous and crystalline[32].(b)Schematic of an electrothermally-driven silicon-based spatial light modulator and its modulation spectra of phase and amplitude under a driving power of 3.5 mW[47].(c)Schematic of a temperature-controlled silicon-based tunable optical metasurface and its scattering spectra[48].(d)Schematic of the meta-atom of SrTiO3-based tunable absorber,where the yellow,gray,blue parts represent the three layers of metal,photoresist(SU-8),and SrTiO3,accordingly(left).The measured temperature-controlled absorption spectra in the THz region (right)[51]

除了VO2和相變化合物之外，以硅為代表的一些半導體材料同樣具備折射率隨溫度變化的特性。其中，硅因其成本低且易于與CMOS集成制造，成為光子器件的首選材料[46]。圖2(b)展示了由硅超構材料層和分布式布拉格反射器組成的光學諧振器，通過電熱改變硅的光學常數，該器件實現了對光波的相位調制，響應時間為～70μs，比傳統(tǒng)基于液晶的空間光調制器快一個數量級[47]。2017年，澳大利亞國立大學Mohsen Rahmani教授等人演示了一種硅納米盤超構表面，在20～300℃的溫度范圍內，其散射光譜隨溫度的升高發(fā)生了30 nm 的紅移，且該過程可逆[48]（圖2(c)）。與以硅為代表的半導體材料類似，鈦酸鍶（SrTiO3）材料的光學常數同樣具有較高的溫度敏感特性?；谠撎匦?，研究人員將SrTiO3材料用于可調諧光學超構材料中，其在THz 波段表現出了優(yōu)異的性能[49-50]。Min Zhong等人基于SrTiO3和金屬材料實現了THz 波段的可調諧吸收器，當溫度從300 K增加到380 K 時，其吸收頻率可從6.2 THz 移至7.1 THz，具有較高的吸收性能[51]（圖2(d)）。

3.2 電驅動可調諧光學超構材料

為了易于與現有的電子信息技術兼容，電驅動可調諧光學超構材料受到材料和光電子領域研究人員的廣泛關注。根據材料的不同，本小節(jié)主要介紹基于液晶、二極管、透明導電氧化物以及石墨烯這4 類電驅動可調諧光學超構材料的研究進展。

液晶（Liquid Crystals,LC）材料通電時液晶分子排列變得有序，而不通電時其排列較為混亂。在這個過程中，液晶的光學常量會發(fā)生變化[52-53]。因此，基于液晶的可調諧光學超構材料大多是通過施加電場來對向列相液晶分子進行重新排列，進而改變超構表面周圍的局部環(huán)境，實現共振調制效果[54-55]。為了減少損耗，獲得更好的光學響應，Arseniy I. Kuznetsov 等人將液晶在二氧化鈦（TiO2）結構上進行整合，制造出液晶基空間光調制器。圖3(a)為透射式液晶基TiO2介質超構表面調控光束的示意圖，通過加載6～8 V 電壓控制液晶的取向，在保證35%的透射率的同時，可實現0～2π的相位調控，在光束轉向和全息成像等方面具有廣泛的應用前景[56]。此外，將超構表面的極化選擇性與電場誘導的液晶分子扭曲排列相結合也是一種基本的調制方法。Mukesh Sharma 等人將具有偏振響應的結構陣列與液晶分子相結合，在0～5 V 電壓控制和入射偏振光輸入共同作用下，實現了一種偏振敏感的結構色彩調制[57]（圖3(b)），但該工作中獲得的顏色飽和度和反射強度都還有待進一步提高[58]。此外，基于液晶的可調諧光學超構表面的功能單元尺寸較大，且只有毫秒級的調制速度，在一定程度上限制了其應用[13]。

二極管作為電控活性材料，在微波可調諧超構材料中起重要作用，將其設置在微波開口諧振環(huán)的開口處，可實現微波振幅、相位的調控[59]。Sameer Sonkusale等人將二極管與超構材料陣列的結構單元串聯(lián)放置，設計出一種頻率可調控的超構材料反射器。在0～9 V 的偏置電壓調控下，該超構材料的反射峰可以在2.0～6.0 GHz 范圍內變化[60]（圖3(c)）。Tiejun Cui等人提出了時空編碼超構表面的概念[61]（圖3(d)），同時在空域和頻域中實現了對電磁波的操縱。該團隊利用現場可編程門陣列（FPGA）輸出電信號，控制二極管基可調諧超構材料，進而組成時空編碼超構材料。通過優(yōu)化時空編碼序列實現了認知雷達[62]、自適應波束形成[63]、全息成像[64]等功能。

圖3 液晶基和二極管基電驅動可調諧超構材料。(a)液晶基透射式可調諧超構表面操控光束示意圖（上），實驗測得的三個主要衍射級的透射譜（下）[56]。(b)偏振敏感的超構材料示意圖（上左）以及液晶基偏振敏感的電控可調諧超構材料（上右），0～5 V 電壓驅動和入射偏振光共同作用下的顏色調制光學照片（下）[57]。(c)二極管基可調諧超構材料反射器的示意圖（左）以及實驗測得的不同電壓驅動下的反射譜（右）[60]。(d)二極管基時空編碼超構表面示意圖[61]Fig.3 The electrically-driven tunable metamaterials based on liquid crystal and diode,respectively.(a)Schematic of a liquid crystal based transmissive metasurface for beam steering(top),the measured transmission spectra of the three main diffraction orders(bottom)[56].(b)Schematic of polarization-sensitive metamaterials(top left)and liquid crystal based polarization-sensitive electrically-controlled tunable metamaterials(top right),color modulation with the combination of 0～5 V external voltage and polarization states of incident light(bottom)[57].(c)Schematic of a diode-based tunable metamaterial reflector (left)and the measured reflection spectra with the different external voltages(right)[60].(d)Schematic of thediode-based space-timecoding metasurface[61]

通過改變導電材料的載流子密度來實現材料光學參量的變化，也是一種電驅動可調諧超構材料設計方法[13]，近年來一些基于銦錫氧化物（ITO）等透明導電氧化物的研究充分利用了該方法。Harry A.Atwater 等人于2016年報道了一種基于ITO材料的可調諧超構表面，在1610 nm 波長處通過2.5 V 的偏壓作用實現了相位差為π 的調制，且調制頻率超過了10 MHz[65]（圖4(a)）。然而，該工作只能實現30%的反射調幅比，限制其調制深度的主要因素是ITO的屏蔽效應，使其電耗盡層/積累層的厚度不大于1 nm[14]。采用雙門或多門結構模型可以解決這一問題，獲得了超過300°的相位調諧能力[66-67]。Junghyun Park 等人于2020年研制出一種基于ITO活性材料的全固態(tài)、可電調控的反射式超構表面，每個功能單元都有獨立的上下兩個柵極電極（圖4(b)），用于獨立調整反射系數的實部和虛部，首次實現了相位和振幅的解耦調諧。該超構表面在250μm×250μm 的面積內具有550 個可單獨尋址的功能單元，可以在獨立調控振幅的同時，以5.4 MHz 的頻率在0～2π 范圍內進行連續(xù)的相位掃描。不僅解決了調制深度有限的問題，還實現了覆蓋0～2π范圍的相位調諧，可應用于光學檢測、測距、全息、光通信等領域[68]。

石墨烯因其獨特的電子能帶和晶體結構而展現出優(yōu)異的光電性能，其費米能級可以隨電調制引起的載流子密度變化而發(fā)生顯著位移，進而引起其光學參量變化[69-70]。石墨烯與超構表面的結合可以實現具有更高調諧速度、更大振幅調制范圍和高穩(wěn)定性的可調諧光電器件[71-72]。該可調諧的超構表面通常由連接石墨烯的金屬和約幾百納米厚的介電隔離層組成，這種方式往往需要較大的調制電壓，從而限制了相關器件的應用[73-74]。為了克服這一障礙，Hou-Tong Chen 等人利用非晶硅作為介電隔離層在中紅外（MIR）波段研制出了一種石墨烯超構表面調制器[75]。非晶硅在MIR 波段的光學損耗低且在特定的柵電壓下導電，因此在不需要減少介質隔離層厚度的前提下，就能以低于10 V 的電壓驅動器件，并達到90%左右的調制深度和超過1 GHz 的調制速度（圖4(c)）。除了振幅調制，近年來石墨烯基可調諧超構材料也被用于相位調制，并展現出了不凡的調制效果。Iskandar Kholmanov 等人將單層石墨烯與包含納米級間隙的等離基元超構材料結合得到了相位可調諧的光學超構材料（圖4(d)），超構材料將入射光集中到納米間隙內，顯著增強了光與單層石墨烯之間的耦合。在不同電壓的驅動下，可對該超構材料的反射光相位進行調制，調制范圍可達55°[76]。

圖4 ITO基和石墨烯基電驅動可調諧光學超構材料。(a)電控ITO基相位可調諧超構材料示意圖[65]。(b)ITO基相位和振幅解耦調諧的超構表面示意圖（左上），結構單元示意圖（右上）及其電控可調諧的反射光譜（左下）和相位調制光譜（右下）[68]。(c)石墨烯基可調諧超構表面示意圖（左）及柵極偏壓相關的調制深度光譜（右）[75]。(d)基于單層石墨烯的相位可調諧超構材料示意圖（左）及實驗測得的不同石墨烯費米能級下超構材料的相位調制曲線（右）[76]Fig.4 The electrically-driven tunable optical metamaterials based on ITO and graphene,respectively.(a)Schematic of an electrically-controlled ITO-based phase tunable metamaterials[65].(b)Schematic of a ITO-based tunable metasurface with decoupling modulation of phase and amplitude(top left),schematic of meta-atom(top right)and its electricallycontrolled reflection spectra(bottom left)and phase shift spectra(bottom right)[68].(c)Schematic of a graphene-based tunable metasurface(left)and gate bias voltage related modulation depth spectra(right)[75].(d)Schematic of a phasetunablemetamaterial based on single-layer graphene(left)and the measured phase modulation curves of metamaterials at the different graphene Fermilevels(right)[76]

3.3 光驅動可調諧光學超構材料

本小節(jié)介紹的光驅動可調諧光學超構材料，主要是利用泵浦激光誘導材料的光載流子變化，引起材料的電導率改變，從而實現調控電磁波的功能。研究人員發(fā)現在泵浦脈沖激光的照射下，硅材料局部載流子會聚集，從而使局部的電磁參數發(fā)生變化?；诠璨牧系倪@一特性，將其與超構材料相結合構成硅基光驅動可調諧超構表面，實現了THz 波段透射振幅的調諧。Yalin Lu 等人通過在藍寶石襯底上外延生長硅實現了可調諧超構材料（圖5(a)），其在飛秒脈沖激發(fā)下電偶極子諧振位置的絕對透射率調制可達38%，且開啟時間在20 ps內，恢復時間僅為300 ps，展現出超快的調諧特性[77]。此外，Weili Zhang 等人基于光活性硅材料設計出一種光驅動的可調超構材料。在1350 mW 泵浦光的激勵下，該超構材料在0.74 THz下的傳輸振幅從85%被調制為43%，實現了光控電磁透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）現象（圖5(b)）[78]。

相比硅材料，III-V 型半導體不僅具有同樣的光敏特性，而且具有更快的調制速度[79]。Maxim R.Shcherbakov 等人設計出一種GaAs/AlGaAs異質結構超構表面，通過低泵浦通量（<400 uJ/cm2）的激光，實現了近紅外區(qū)域Mie氏共振的調諧。如圖5(c)所示，實驗結果顯示磁共振模式發(fā)生了30 nm 的藍移，反射率調制高達35%，恢復時間僅為～6 ps[80]。Yuanmu Yang 等人利用銦摻雜氧化鎘（CdO:In）材料，在外延拋光的MgO襯底上制備出一種全光偏振開關器件（圖5(d)）。在亞帶隙泵浦光照射下，CdO:In 材料的有效電子瞬間聚集，使該器件的完美吸收峰發(fā)生紅移，從而導致該器件對p偏振光的絕對反射率從1%變?yōu)?6.3%，與前面提到的器件相比，該器件具有更快的調制速度，可以在800 fs內打開和關閉[81]。此外，基于鈣鈦礦材料的光驅動可調諧光學超構材料也受到了關注和研究[82-84]。

圖5 光驅動可調諧光學超構材料。(a)硅基光控可調諧超構表面示意圖（上）及其在不同延遲的飛秒激光激勵下的透射調制響應（下）[77]。(b)光驅動硅基EIT 可調諧超構材料示意圖（左），單線結構（粉紅色）、雙開口諧振環(huán)結構（橙色）和EIT 超構材料（橄欖色）的透射振幅光譜[78]。(c)低泵浦光驅動的GaAs基可調諧超構表面示意圖[80]。(d)基于CdO:In 材料的全光偏振開關器件示意圖（左）及其在亞帶隙泵浦光照射下的p 偏振光反射譜[81]Fig.5 Light-driven tunable optical metamaterials.(a)Schematic of a tunable metasurface integrated with silicon elements(top)and the transmittance modulation response under femtosecond laser excitation with the different delay(bottom)[77].(b)Schematic of silicon-based EIT tunable metamaterials(left),the transmission spectra of cutting wire structure(pink),double-splitting resonance ring structure(orange)and EIT metamaterial(olive)[78].(c)Schematic of GaAs-based tunable metasurface pumped with a low light power[80].(d)Schematic of all-optical polarization switching device based on CdO:In material(left)and the reflection spectra of p-polarized light under sub-band gap pumping light irradiation[81]

3.4 磁驅動可調諧光學超構材料

當線偏振光沿著磁場方向傳播，穿過磁光物質時，光的偏振面會發(fā)生旋轉，該現象被稱為法拉第磁光效應。利用這一效應，在磁性物質上構造超構表面并施加不同的磁場，可實現基于磁性物質的磁驅動可調諧超構材料。

V.I.Belotelov 等人設計了一種金屬-介質材料納米結構，實現了所謂的磁等離子體晶體，在入射光激發(fā)耦合等離激元振蕩和波導模式。面內的磁場變化會影響波導模式，從而改變磁等離子體晶體的透射光譜，對透射光強實現了高達24%的調制（圖6(a)）[85]。Fei Fan 等人提出了一種由金屬和磁光材料混合構成的幾何相位超構表面，實現了寬帶半波片、光束偏轉、貝塞爾光束和渦旋光產生等功能（圖6(b)）[86]。其中，在THz 波段設計的寬帶半波片的效率可高達80%，并可通過改變外部磁場，控制其功能的開關。Lei Bi 等人利用Ce1Y2Fe5O12材料的低光損耗和強磁光效應的特點，將它作為介質層，設計出一種磁驅動的可調諧手性超構表面。通過改變施加磁場的大小和方向，不僅可以調控遠場手性光譜的符號，還實現了高達0.6的光學手性場調制幅度，并且展示了其磁場控制的手性成像功能[87]（圖6(c)）。在磁驅動可調諧超構表面設計中，磁性物質除了以層膜形式起作用之外，還能以亞波長功能單元的形式存在。Irina Zubritskaya 等人直接將磁性物質鎳加工成圓盤結構，設計出一種由激發(fā)手性的金納米盤和提供法拉第磁光效應的鎳納米盤組成的超構材料，通過調控施加磁場的方向可實現手性透射光譜的調制（圖6(d)）。并且他們認為，在可見光和近紅外光譜范圍內，該器件的電磁感應開關極限速度可達10 GHz，同時能保持100%～150%的調制范圍，可用于手性分子傳感、光通信等領域[88]。

圖6 磁驅動可調諧光學超構材料。(a)磁等離子超構材料示意圖（左）及其在飽和磁場作用下，縱向磁光強度效應δ 的頻譜幅值譜線（右），藍線為計算值，紅線為實驗值[85]。(b)由金屬和磁光材料混合構成的光束偏轉超構表面示意圖（左）及其在不同強度磁場作用下的光束偏轉情況（右）[86]。(c)以磁性物質Ce1Y2Fe5O12 作為介質層的磁可調諧超構表面示意圖（左）及其磁場可調手性成像效果（右）[87]。(d)以磁性物質鎳作為圓盤結構的磁可調諧超構表面的掃描電子顯微鏡圖像（左）及其在不同方向的磁場作用下的手性透射光譜（右）[88]Fig.6 Magnetically-driven tunable optical metamaterials.(a)Schematic of the magnetic plasma metamaterial(left)and the spectra of longitudinal magneto-optical intensity effect δwith a saturated magnetic field(right),where simulated and measured spectra are shown in the blue and red curves,respectively[85].(b)Schematic of a beam deflection metasurface composed of a mixture of metal and magneto-optical materials(left)and its beam deflection under different magnetic(H-)fields intensity(right)[86].(c)Schematic of a magnetically tunable metasurface integrated with a magnetic material Ce1Y2Fe5O12 dielectric layer(left)and its H-field induced tunable chiral imaging effect(right)[87].(d)Scanning electron microscope image(left)of a magnetically tunable metasurface integrated with magnetic dielectric Ni disk and its chiral transmission spectra with the magnetic fields in different directions(right)[88]

4 結構重構型可調諧光學超構材料

與基于切換材料特性的調諧方法不同，一些研究嘗試通過改變超構材料微/納米結構的排列、形狀和方向，使得超構材料局部場態(tài)和整個系統(tǒng)的電磁響應發(fā)生相應的變化，從而實現調諧超構材料電磁響應的功能。目前，此類結構重構型可調諧超構材料主要分為基于柔性可拉伸材料的可調諧超構材料和基于微機電系統(tǒng)的可調諧超構材料兩大類。

4.1 柔性可拉伸材料

如何實現超構表面的光學響應可調控性，結構重構是一種相對簡單的方法。近年來，人們研究了柔性可伸縮襯底的尺寸敏感性和對外界刺激的可變性[89-90]。以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為代表的高彈性、無毒、低損耗的有機材料在可調的超構材料領域得到了廣泛的應用[90-94]。由柔性可伸縮襯底與亞波長結構單元組成的結構重構型可調諧超構材料，其可調性主要體現在結構陣列周期的變化。Xiangang Luo等人利用PDMS柔性襯底制作了一種可調控的超構表面結構色，通過對PDMS進行不同程度的拉伸引起結構周期的變化，從而實現綠色到紫紅色的顏色變化（圖7(a)）[95]。從整個PDMS基板樣品的角度來看，拉伸過程中產生的總變形的精確方向不一定是沿著拉力的方向，這使得可拉伸器件的亞波長功能單元具有各向異性，從而導致其光學性能具有較強的偏振敏感性。針對這一難題，Shumin Xiao等人為了實現偏振不敏感的可拉伸光學器件，將TiO2超構表面與PDMS結合，充分利用TiO2超構表面同時支持磁偶極共振和電偶極共振的特性，在平行和垂直于應變的方向上引入兩種不同的共振機制，成功研制出一種偏振不敏感的可拉伸的變色超構表面（圖7(b)）[96]，并實驗展示了其在彩色動態(tài)顯示方面的應用潛力。

圖7 拉伸可調諧光學超構材料。(a)基于PDMS基板的動態(tài)調諧結構示意圖（左）以及超構材料在不同拉伸長度下的反射光譜（右）[95]。(b)可拉伸TiO2超構表面的示意圖（左）及其在不同偏振狀態(tài)下不同應變的反射光譜（右）[96]。(c)可拉伸基材上的超構表面全息圖（左），在拉力作用下，該全息圖從“皺著眉頭”變?yōu)椤靶δ槨保ㄓ遥93]。(d)電控可調諧超構透鏡的示意圖（左），1 kV 電壓驅動下，超構透鏡的焦距從50.1 mm 變?yōu)?3.1 mm（中）以及兩個條件下焦點處的光場強度分布（右）[104]Fig.7 Stretching tunable optical metamaterials.(a)Schematic of a dynamically tunable structure based on PDMS substrate(left)and reflection spectra of metamaterials under the different stretchable lengths(right)[95].(b)Schematic of a stretchable TiO2 metasurface(left)and its reflection spectra of the different strains in the different polarization states(right)[96].(c)Metasurface hologram on a stretchable substrate(left).Under the action of tension,the hologram changes from "frowning"to"smiling face"(right)[93].(d)Schematic diagram of an electrically-controlled tunablemetalens(left),thefocal length changes from 50.1 mm to 53.1 mm (middle)under 1 kV voltage drive,and the light field intensity distributions at the focal point with two conditions(right)[104]

在近紅外波段，拉伸可調諧超構表面的振幅調制同樣備受關注[97]。

Cherie R.Kagan 課題組制作出金等離基元晶格光柵，實驗顯示每1%的應變就能引入48 nm的表面晶格共振峰位的位移[98]。此外，Harry A.Atwater 等人在PDMS襯底上設計了一種基于金開口環(huán)結構的超構表面，在中紅外波段實現了高達400 nm 的反射峰調諧范圍[99]。針對不同的應用場景，可以在PDMS柔性襯底上制備各種形狀的功能單元[98,100]?；诳衫旎膶崿F的可調諧超構表面全息圖是另一項備受關注的工作。通過拉伸柔性襯底以改變超構表面結構的相對位置，進而改變相位的不連續(xù)性，實現對光波前的重構。如圖7(c)所示，通過將柔性基板拉伸130%，全息圖可由“皺著眉頭”變?yōu)椤靶δ槨盵93]。但是，與原始表面相比，獲得的“笑臉”在細節(jié)上模糊不清，這可能是由于基板上的制造缺陷、圖形單元的尺寸不均勻變形、較低的傳輸效率或相互干擾等因素引起的。因此，為實現高效、彩色和穩(wěn)定的可調諧全息圖仍有許多工作亟需完成[101-102]。拉伸可調諧的光學超構表面也為實現可調諧的超構透鏡提供了有效的方法[103]。Federico Capasso等人將5個可拉伸碳納米管電極、超構透鏡以及聚丙烯酸酯彈性致動器基板組合，通過5個可尋址電極調制出不同的拉伸組合來實現超構表面電調制，重建了出射光的波前，以達到電控超構透鏡焦距和像散的目的[104]（圖7(d)）。該設備中可拉伸電極的響應時間可達到（33±3） ms。若采用更好的彈性體材料或進一步優(yōu)化制造工藝，基于柔性可拉伸材料的可調諧超構表面有望獲得更快的調制速度[105-106]。

4.2 微機電系統(tǒng)（MEMS）

微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）是一種單元尺寸在微米甚至納米量級的智能控制系統(tǒng)。多個超構表面以垂直集成的方式相互作用，輔以MEMS作為執(zhí)行器對每個超構表面進行操控，可以擴大調制范圍。Andrei Faraon等人設計出一種基于MEMS系統(tǒng)的可調諧超構透鏡。如圖8(a)所示，該設計由兩個超構透鏡組成，一個固定在玻璃基板上，另一個可移動的超構透鏡制作在SiNx薄膜上。由MEMS電力驅動可移動超構透鏡，以控制兩個超構透鏡之間的距離，實現透鏡的有效焦距從565到629μm 可調[18]。除了位置自由度之外[107]，MEMS平臺還可為超構表面引入角度變化的自由度。Tapashree Roy 等人將超構透鏡和二維掃描的MEMS系統(tǒng)集成在一起，由MEMS平臺沿著兩個正交方向控制透鏡的角度，實現對聚焦光的動態(tài)控制（圖8(b)）[108]。將MEMS平臺與柔性襯底相結合，通過操縱單元結構的幾何形狀，可以得到動態(tài)可調控超構表面[109-113]。Jeremy B.Reeves等人將MEMS與柔性可變性的機械腳手架相結合，通過施加單向的力來調節(jié)單元結構之間的距離，從而調控超構表面的反射光譜，當外加力減小時，超構表面在長波范圍內的共振峰將發(fā)生紅移（圖8(c)）[114]。MEMS平臺還可將靜電力用于操縱超構表面結構的形變。Xin Zhang 等人設計了一種基于機電驅動的微懸臂梁陣列結構的可調太赫茲超構表面四分之一波片[115]。他們制備了1μm 寬的懸臂并將其作為功能單元和機電致動器。通過在懸臂和基板之間施加電壓，感應靜電力將拉低懸臂的自由端，從而實現陣列結構的可調控（圖8(d)），實時調節(jié)透射光的偏振態(tài)。此外，該技術與CMOS工藝兼容，不僅能豐富太赫茲光學元件庫，還能促進太赫茲波段的實際應用。

圖8 結構重構型可調諧光學超構材料。(a)MEMS可調超構透鏡的示意圖（左）；實驗測得的前焦距f 和兩個超構透鏡之間距離d 隨施加的直流電壓變化曲線（右）[18]。(b)超構表面透鏡單元結構示意圖（左上），超構透鏡樣品的掃描電子顯微鏡圖像（右上）及其調制機制（下）[108]。(c)基于柔性聚合物支架的可拉伸電磁超構材料示意圖（左），不同外力拉伸下超構表面的反射光譜（右）[114]。(d)由懸臂、電容墊和互連線組成的THz 可調諧超構材料示意圖（左）和不同電壓下懸臂曲率偏轉曲線（右）[115]Fig.8 Reconfigurably tunable optical metamaterials.(a)Schematic of a MEMStunable metalens(left); measured front focal length f and the distance d between two metalenses varying with external DC voltage(right)[18].(b)Schematic of the meta-atom(top left),a scanning electron microscope image(top right)and the modulation mechanism(bottom)of the metalens[108].(c)Schematic of a stretchable electromagnetic metamaterial based on a flexible polymer stent(left),and the reflection spectra of a metasurface under the different external forces(right)[114].(d)Schematic of a tunable THz metamaterial composed of a cantilever,a capacitor pad and an interconnection line(left)and the deflection curveof the cantilever curvature under different voltages(right)[115]

5 總結與展望

本文主要綜述了可調諧光學超構材料的最新研究進展，重點介紹了可調諧光學超構材料的調諧機制和控制方法。通過附加外場與控制系統(tǒng)得到的可調諧光學超構材料，實現了獨特的光學響應和信息的實時調制。基于相變材料、二氧化釩、半導體和石墨烯等活性材料的可調諧超構表面最高可以實現GHz 的調制頻率，已應用于全息成像、結構彩色等領域。然而，目前可調諧超構材料的光學效率較低，主要是由于多數動態(tài)超構表面器件都是基于金屬超構表面和可調元素相集成的復合型超構表面，金屬材料本身的光學損耗限制了金屬復合型動態(tài)超構表面的調控效率。再加上可調元素苛刻的驅動條件進一步限制了其廣泛應用。TiN 等低損耗類等離子材料[116]以及新型活性材料的研發(fā)，將會為解決目前可調諧超構材料損耗大、驅動難的問題，提供新的方法。除了利用外部刺激改變活性材料光學特性外，利用結構重構引起的尺寸變化也是實現可調超構表面的有效方法，實現形狀和尺寸變化的方法通常包括機械變形（例如，柔性可拉伸材料）、MEMS[117]等。然而，合適的開關電源的合成難度大，而且MEMS工藝復雜、成本高，這些都是目前亟待解決的問題。3D打印等加工制造技術的穩(wěn)步發(fā)展使得在微米尺度甚至納米尺度上創(chuàng)建具有特征尺寸的復雜結構成為可能，有望簡化超構材料的加工工藝，降低加工成本，為可調諧超構材料的進一步發(fā)展提供契機[118]。

不同調諧機制和活性材料適用于不同波段：在微波波段一般采用電控二極管來實現可調控器件，由于微波波長較長，對應器件尺寸相對較大，外加較為成熟的電路印刷技術，實現集成二極管的微波調控器件較為容易；在太赫茲到光學波段，一般采用熱、電、光、磁和機械等激勵相變材料、二維材料、半導體材料和可形變材料實現超構材料動態(tài)調控。從實驗上實現高頻波段的動態(tài)可調諧超構材料較為困難，主要由于高頻波段超構材料中的超構原子周期一般在百微米（可見光波段在納米）量級，對每一個超構原子進行獨立控制，就需要有非常精密的加工以及控制手段才能夠實現，技術難度較大。因此需要更多的探索和努力來繼續(xù)推進該方向的發(fā)展。

實現超原子獨立靈活調控是可調諧超構材料未來研究的主要目標之一。對超構原子進行獨立控制，才是真正意義上的動態(tài)可重構超構材料，這可以豐富每一個動態(tài)超構材料器件的功能。同時，基于同一超構材料，通過采用不同的調控方案，重構出多種功能器件，能節(jié)省很大一部分器件制備成本。另外，通過超原子獨立調控可以對超構材料進行編程，并將其直接應用到實時成像和無線通信中。雖然已經有一部分相關的工作[119]，但是包括器件加工手段，功能擴展，性能優(yōu)化和實際應用等多個方面仍面臨著巨大的困難和挑戰(zhàn)，需要進一步開展大量研究工作。目前可調諧超構材料主要通過人為控制切換有源器件或利用FPGA 發(fā)送指令的方法實現功能可調，主要采用開環(huán)的控制系統(tǒng)，不包含用于建立可自動決策的閉環(huán)系統(tǒng)所需的傳感和反饋組件，不具有智能調控能力。未來，隨著人工智能技術的發(fā)展，如果將可調諧超構材料與感應反饋系統(tǒng)、機器學習算法相結合，形成具有自動決策能力的智能可調諧超構材料，超構材料將有望在視覺成像、信息處理等各個領域取得重要應用。