全金屬超表面在電磁波相位調(diào)控中的應(yīng)用及進(jìn)展

劉 博，謝 鑫，甘雪濤，趙建林

西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，光場(chǎng)調(diào)控與信息感知工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省光信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710129

1 引言

超表面是一種可以在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)電磁波的振幅、相位以及偏振態(tài)等光學(xué)屬性進(jìn)行靈活調(diào)控的人工二維結(jié)構(gòu)，它突破了超材料三維結(jié)構(gòu)的限制，有利于光學(xué)系統(tǒng)向輕量化、微型化方向發(fā)展。2011 年，美國(guó)哈佛大學(xué)Capasso 教授團(tuán)隊(duì)提出了廣義折反射定律，通過(guò)調(diào)節(jié)V 型金屬天線的夾角和臂長(zhǎng)，產(chǎn)生了一定的相位梯度，從而實(shí)現(xiàn)了光的異常折反射現(xiàn)象[1]。該工作引發(fā)了學(xué)術(shù)界對(duì)平面光學(xué)的研究熱潮，使得基于超表面的電磁波相位調(diào)控技術(shù)得到了快速發(fā)展，涌現(xiàn)出一系列的新型功能器件與應(yīng)用，如光聚焦與成像[2-5]、全息顯示[6-8]、渦旋光束發(fā)生器[9-12]等。

2013 年，Monticone 等人根據(jù)理論分析與計(jì)算得到，超薄透射型超表面的理論效率極限為25%[13]，而實(shí)際加工出的器件效率通常不足理論極限值的一半，這極大限制了超表面的應(yīng)用。因此，如何提高超表面的工作效率成為研究人員關(guān)注的重點(diǎn)話題。有學(xué)者采用多層超表面來(lái)提高兩種圓偏振光之間的偏振轉(zhuǎn)換效率[14-21]，突破了單層透射型超表面的效率極限，但這也增加了材料的厚度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。隨后，為了擺脫金屬結(jié)構(gòu)的歐姆損耗問(wèn)題，研究人員采用低損耗的高折射率介質(zhì)材料來(lái)構(gòu)造超表面[22-29]，從而顯著提高了器件的工作效率。除此之外，采用反射式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以顯著提高超表面器件的效率。常用的反射式設(shè)計(jì)方式為金屬-介質(zhì)-金屬(metal-insulator-metal，MIM)“三明治”構(gòu)型[30-35]，包括頂層的金屬天線、中間介質(zhì)層，以及底層的金屬反射襯底。利用該方法，可以使得超表面的工作效率達(dá)到80%以上。2018 年，研究人員提出一種新的反射式超表面，該結(jié)構(gòu)由亞波長(zhǎng)金屬光柵和金屬反射襯底組成，是一種全金屬化的超表面。他們利用幾何相位原理調(diào)控電磁波散射，結(jié)合金屬材料的低輻射特性，在紅外波段同時(shí)實(shí)現(xiàn)了極低的反射率與輻射率，并構(gòu)建了高效率的全息器件[36]。相較于MIM 型設(shè)計(jì)，全金屬超表面避免了由法布里-珀羅諧振腔引起的諧振模式，降低了光波反射時(shí)金屬結(jié)構(gòu)的歐姆損耗，從而進(jìn)一步提高了超表面的工作效率和帶寬[37]。此外，金屬材料通常具有優(yōu)良的機(jī)械、熱學(xué)等性能，如強(qiáng)度大、韌性好、耐高溫、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性等。這使得全金屬超表面不僅能夠在多物理場(chǎng)調(diào)控中發(fā)揮重要作用，還有望應(yīng)用于高溫高壓等極端復(fù)雜環(huán)境中。

全金屬超表面在電磁波調(diào)控方面所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，使其廣泛用于各類光學(xué)器件與應(yīng)用[38-44]。本文對(duì)近年來(lái)基于全金屬超表面的電磁波相位調(diào)控技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，首先介紹了基于全金屬超表面構(gòu)建的高效率平面光學(xué)器件，然后闡述了全金屬超表面在電磁隱身領(lǐng)域中的應(yīng)用，最后進(jìn)行總結(jié)并對(duì)全金屬超表面的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2 全金屬超表面器件與應(yīng)用

全金屬超表面是由亞波長(zhǎng)金屬單元所組成的結(jié)構(gòu)陣列，其調(diào)控電磁波相位的方式同其他超表面一樣，包括共振相位、幾何相位以及傳播相位等[45]。目前，使用最廣泛的是基于幾何相位原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，常見的幾種單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示，分別為光柵結(jié)構(gòu)、納米磚結(jié)構(gòu)、懸鏈線結(jié)構(gòu)以及多重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)等[36-37,46-51]。值得一提的是，電磁波與全金屬結(jié)構(gòu)相互作用的物理過(guò)程可以通過(guò)懸鏈線模型解釋[37,46,52-53]。通過(guò)控制光柵和納米磚結(jié)構(gòu)的取向角可以產(chǎn)生二倍于取向角的相位延遲，從而實(shí)現(xiàn)局域相位調(diào)控。隨著懸鏈線光學(xué)的發(fā)展，將全金屬設(shè)計(jì)和懸鏈線結(jié)構(gòu)結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)電磁波相位的高效連續(xù)調(diào)控。之后，廣義幾何相位的出現(xiàn)進(jìn)一步豐富了超表面光場(chǎng)調(diào)控的自由度，利用具有多重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的單元結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生數(shù)倍于旋轉(zhuǎn)角的相位延遲。目前，全金屬超表面已被廣泛應(yīng)用于各類光學(xué)器件的設(shè)計(jì)，如偏振轉(zhuǎn)換、全息顯示以及渦旋光束發(fā)生器等。此外，得益于金屬材料優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)等特性，其在電磁隱身領(lǐng)域也發(fā)揮出了重要作用，下面將圍繞這兩類應(yīng)用展開詳細(xì)描述。

2.1 全金屬超表面在平面光學(xué)器件中的應(yīng)用

幾何相位型超表面在各類平面光學(xué)器件中應(yīng)用廣泛[54]，該類超表面最大的優(yōu)勢(shì)在于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并且產(chǎn)生的幾何相移與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，基于該原理研究人員設(shè)計(jì)出了一系列寬帶的全金屬超表面功能器件。2018 年，研究人員通過(guò)控制亞波長(zhǎng)金屬光柵的取向角在紅外波段實(shí)現(xiàn)了電磁波的高效散射，與此同時(shí)他們還制備了全息顯示效率超過(guò)80%的反射式全息器件[36]。如圖2(a)所示，用于構(gòu)建超表面的金屬光柵單元在寬波段內(nèi)表現(xiàn)出了超高的反射率和偏振轉(zhuǎn)換效率。上述全金屬超表面不僅工作效率高，而且加工簡(jiǎn)單。為節(jié)省成本，研究人員采用激光直寫和傳統(tǒng)光刻技術(shù)，通過(guò)在光刻膠或者硅、石英等基底上刻蝕出目標(biāo)結(jié)構(gòu)，然后鍍一定厚度的金屬層，得到超表面樣品。盡管通過(guò)該方法制備的超表面并不是理想的全金屬結(jié)構(gòu)，但金屬層的厚度遠(yuǎn)大于趨膚深度，可以實(shí)現(xiàn)與全金屬結(jié)構(gòu)相同的光學(xué)功能，因此可以將其視為全金屬結(jié)構(gòu)。隨后，2019 年他們采用金屬磚作為單元結(jié)構(gòu)，同樣利用幾何相位原理實(shí)現(xiàn)了寬帶和高效的電磁波前操縱[37]。如圖2(b)所示，在圓偏振光入射的情況下，所設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)在9.5～11.5 μm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，交叉偏振反射率達(dá)到94%。相較于MIM 型結(jié)構(gòu)，全金屬結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出更高的偏振轉(zhuǎn)換效率和更大的帶寬。進(jìn)一步，通過(guò)控制金屬單元的空間取向?qū)崿F(xiàn)0-2π 的相位調(diào)控，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高效的光束偏轉(zhuǎn)和全息顯示功能。2020 年，研究人員在此單元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種由S 型納米磚組成的全金屬超表面[47]，通過(guò)對(duì)比另外兩種單元結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)S 型金屬結(jié)構(gòu)具有更高的平均偏振轉(zhuǎn)換效率及更大的工作帶寬，如圖2(c)所示。2021 年，研究人員提出了廣義幾何相位理論，并指出利用全金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以顯著提高器件的效率[55]。隨后，Cai 等人對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用廣義幾何相位原理設(shè)計(jì)了高效率的全息器件。如圖2(d)所示，相比于MIM 結(jié)構(gòu)和全介質(zhì)結(jié)構(gòu)，全金屬結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出更高的效率和更大的帶寬[50]。在微波波段，Luo 等人利用二重和三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的全金屬結(jié)構(gòu)，分別得到了兩倍和六倍的旋轉(zhuǎn)多普勒頻移，證明了高階幾何相位可以放大旋轉(zhuǎn)多普勒頻移[51]。

圖2 不同金屬單元結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。(a)金屬光柵的仿真結(jié)果[36]；(b)金屬納米磚的仿真結(jié)果及其與MIM 結(jié)構(gòu)的對(duì)比[37]；(c) S 型單元結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果[47]；(d)不同C3 結(jié)構(gòu)的仿真對(duì)比[50]Fig.2 Simulation results of different metal unit structures.(a) Simulation results of metal gratings[36];(b) Simulation results of metal nanobricks and comparison with MIM-type structure [37];(c) Simulation results of S-type unit structure [47];(d) Simulation comparison of different C3 structures [50]

上述全金屬超表面均是通過(guò)離散的單元結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建，這會(huì)導(dǎo)致波前采樣不足從而影響器件的工作效率以及信噪比[56]。Pu 等人于2015 年提出了懸鏈線結(jié)構(gòu)光學(xué)[57]，為連續(xù)精準(zhǔn)地調(diào)控電磁波相位提供了一種行之有效的方法，隨之涌現(xiàn)出一系列高效、寬帶的平面光學(xué)器件與應(yīng)用[58-60]。隨著懸鏈線光學(xué)的發(fā)展，研究人員將全金屬設(shè)計(jì)與懸鏈線結(jié)構(gòu)相結(jié)合，開發(fā)出了更為高效的平面光學(xué)器件。圖3(a)所示為基于金屬懸鏈線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的圓偏振波分束器[48]，該器件能夠?qū)⑷肷涞木€偏振光高效地分離為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光并使其偏轉(zhuǎn)到預(yù)定的角度，分束效率高達(dá)92%。同時(shí)，通過(guò)向懸鏈線凹槽注入酒精實(shí)現(xiàn)了工作頻率從10.5 GHz 到8.5 GHz 的連續(xù)調(diào)諧。在可見光波段，Tang 等人基于懸鏈線結(jié)構(gòu)提出了一種全金屬超表面，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)高效和寬帶的光聚焦功能[49]，如圖3(b)所示。所設(shè)計(jì)的超透鏡分別可以實(shí)現(xiàn)衍射受限和亞衍射極限聚焦，工作帶寬幾乎覆蓋整個(gè)可見光譜，相較于二元相位超透鏡，通過(guò)懸鏈線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了更高的聚焦效率并更好地抑制了雜散光。

圖3 基于懸鏈線結(jié)構(gòu)的全金屬超表面。(a)圓偏振波分束器[48]；(b)聚焦透鏡[49]Fig.3 All-metal catenary metasurfaces.(a) Circular polarized beam splitter[48];(b) Focusing lens[49]

利用全金屬超表面進(jìn)行光學(xué)多參量調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)一系列多功能光學(xué)器件[61-69]。Du 等人采用鋁納米磚結(jié)構(gòu)，利用其取向簡(jiǎn)并性提供連續(xù)的振幅調(diào)制以及二元的相位調(diào)控，通過(guò)點(diǎn)源算法優(yōu)化出鋁納米磚的取向分布進(jìn)而匹配目標(biāo)振幅和相位，如圖4(a)所示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了近場(chǎng)灰度顯示和三維全息成像[70]，如圖4(b)所示。Zhang 等人采用SP 光刻技術(shù)制備了一種用于實(shí)現(xiàn)彩色打印和全息成像的超薄全金屬超表面[71]，如圖4(c)所示，根據(jù)匹配得到的振幅分布，在Gerchberg-Saxton 算法下優(yōu)化得到相位分布，再將不同通道的相位信息進(jìn)行編碼。在寬帶非相干光源的照明下，打印圖像會(huì)隨著觀察角度發(fā)生變化，并且利用入射光的偏振態(tài)可以實(shí)現(xiàn)虛假顏色與真實(shí)顏色的轉(zhuǎn)換。在相干光源的照明下，該器件在遠(yuǎn)場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)全息顯示，并且通過(guò)解密三個(gè)不同波長(zhǎng)的全息圖可以得到加密后的信息，如圖4(d)所示。Cheng 等人提出一種用于實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換的全金屬超表面[72]，通過(guò)調(diào)整納米磚結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了線偏振態(tài)到其正交偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換，在356.5～536.5 THz 范圍內(nèi)偏振轉(zhuǎn)換效率超過(guò)90%，而且實(shí)現(xiàn)了線偏振態(tài)到圓偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換，在336.5～544.5 THz 范圍內(nèi)其偏振消光比的絕對(duì)值大于10 dB。

圖4 基于全金屬超表面的多功能器件。(a,b)利用復(fù)振幅調(diào)控同時(shí)實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)灰度顯示和三維全息成像[70]；(c,d)利用全金屬超表面實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)色全息器件[71]Fig.4 Multifunctional devices based on all-metal metasurfaces.(a,b) Simultaneous near-field grayscale display and three-dimensional holographic imaging enabled by complex amplitude modulation[70];(c,d) Simultaneous full-color printing and holography enabled by all-metal metasurface[71]

目前，全金屬超表面已被應(yīng)用于太赫茲波操縱、3D 制造、多物理場(chǎng)調(diào)控等。2022 年，Wang 等人采用金屬開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種寬帶、高效的多功能太赫茲超表面[73]，如圖5(a)所示。該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑷肷涞膱A偏振光轉(zhuǎn)化為手性相反的圓偏振光，在0.8-1.65 THz 范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率超過(guò)95%。進(jìn)一步，通過(guò)控制開口諧振環(huán)的取向角實(shí)現(xiàn)了反射波相位的控制，如圖5(b)所示。圖5(c)和5(d)為聚焦及渦旋光束產(chǎn)生的仿真結(jié)果，表明該器件具有良好的波前操縱能力。2022 年，Zhu 等人利用3D 打印在微波波段制備了一種全金屬超表面，以實(shí)現(xiàn)雙頻圓偏振波的轉(zhuǎn)換[74]。當(dāng)左旋圓偏振光入射時(shí)，該器件不僅可以通過(guò)垂直調(diào)整單元結(jié)構(gòu)的位置產(chǎn)生所需要的傳播相移，將低頻入射光轉(zhuǎn)化為右旋圓偏振光并偏轉(zhuǎn)到特定角度，還可以與通過(guò)旋轉(zhuǎn)金屬單元引入的幾何相移相結(jié)合，將高頻入射的左旋圓偏振光以另一角度進(jìn)行反射。此外，全金屬超表面能夠在多物理場(chǎng)調(diào)控中發(fā)揮重要作用。例如在2019 年，Cui 等人基于鋁材料制備了一種可同時(shí)調(diào)控電磁波與聲波的超表面[75]，如圖5(e)所示，所設(shè)計(jì)的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在50-100 mm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)相位響應(yīng)超過(guò)了300°，振幅響應(yīng)均在0.99 以上?；诖?，分別對(duì)多波束產(chǎn)生、漫反射以及波束偏轉(zhuǎn)等功能進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖5(f-h)所示。相較于MIM 型超表面，該器件采用全金屬材料設(shè)計(jì)，在降低制造難度的同時(shí)，也滿足了實(shí)際應(yīng)用中高強(qiáng)度、延展性好以及耐高溫等物理屬性要求。

圖5 基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的全金屬超表面。(a)太赫茲全金屬超表面示意圖[73]；(b-d)太赫茲超表面的仿真結(jié)果，包括異常反射、聚焦、渦旋光束產(chǎn)生[74]；(e)同時(shí)操縱電磁波和聲波的全金屬超表面[75]；(f-h)針對(duì)電磁波和聲波的多波束產(chǎn)生、漫反射以及波束偏轉(zhuǎn)計(jì)算結(jié)果[75]Fig.5 All-metal metasurfaces based on split-ring resonators.(a) Schematic diagram of the terahertz metasurface[73];(b-d) Simulation results of the terahertz metasurface,including anomalous reflection,focusing,vortex beam generation[74];(e) All-metal metasurface for simultaneous manipulation of electromagnetic waves and acoustic waves[75];(f-h) Calculations results of multiple-beam generation,scattering diffusion,and beam steering for both electromagnetic waves and acoustic waves[75]

2.2 全金屬超表面在電磁隱身方面的應(yīng)用

電磁隱身，即利用材料對(duì)電磁波的吸收和反射特性，借助目標(biāo)“大氣窗口”的波長(zhǎng)選擇性來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身或者偽裝。近年來(lái)，基于超表面強(qiáng)大的電磁波調(diào)控能力，涌現(xiàn)出了一系列超薄隱身材料與器件[76-80]。傳統(tǒng)的金屬-介質(zhì)混合超表面多工作于同一頻譜，難以實(shí)現(xiàn)多譜段兼容[81-82]，并且其結(jié)構(gòu)難以在復(fù)雜的工程環(huán)境中實(shí)際應(yīng)用。為了克服這一難題，研究人員基于全金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了多種超表面和超材料器件，實(shí)現(xiàn)了多頻譜兼容的電磁偽裝。

2018 年，研究人員提出一種由亞波長(zhǎng)金屬光柵組成的相位梯度超表面，通過(guò)調(diào)控電磁波散射，并結(jié)合金屬材料在紅外波段的低輻射特性，在8-14 μm 波段同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超低的鏡面反射率和發(fā)射率[36]。如圖6(a)所示，在電磁波以不同角度入射時(shí)，實(shí)驗(yàn)加工的樣品在10～14 μm 波段的相應(yīng)鏡面反射率均低于0.1，并且從紅外熱像儀的測(cè)試結(jié)果中可以看到樣品具有超低的熱輻射，證明該結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于激光與熱紅外的兼容隱身。在此工作基礎(chǔ)上，2019 年他們結(jié)合漫反射原理，在微波波段設(shè)計(jì)了一種全金屬超表面[46]，分別在6°、20°、30°三種入射角下測(cè)量器件的反射信號(hào)，證明了該結(jié)構(gòu)在大入射角和寬頻譜下的高效雷達(dá)散射截面(radar cross section，RCS)抑制能力。進(jìn)一步，他們還驗(yàn)證了該超表面的耐高溫和低熱輻射特性，如圖6(b)所示。值得一提的是，研究人員發(fā)現(xiàn)金屬光柵間的電場(chǎng)分布滿足懸鏈線函數(shù)，基于此建立了懸鏈線模型解釋了電磁波與厚金屬光柵相互作用的物理過(guò)程，推動(dòng)了懸鏈線光學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

圖6 基于全金屬超表面的激光-紅外和微波-紅外隱身技術(shù)。(a)激光-紅外兼容隱身材料的測(cè)試結(jié)果[36]；(b)厚金屬光柵的等效電路模型及微波-紅外兼容隱身材料的高溫RCS 和紅外輻射測(cè)試結(jié)果[46]Fig.6 Laser-infrared and microwave-infrared stealth technology based on all-metal metasurface.(a) Measurement results of the laser-infrared compatible stealth materials[36];(b) Equivalent circuit model of the thick metal grating and measured high-temperature RCS and infrared radiation of the microwave-infrared compatible stealth materials[46]

2020 年，基于全金屬超表面，F(xiàn)eng 等人提出了一種分層超材料以實(shí)現(xiàn)激光-熱紅外-微波的兼容隱身，如圖7(a)所示[83]。該結(jié)構(gòu)由頂層的全金屬超表面陣列和底層的微波吸收器組成。金屬超表面能夠?qū)⑷肷涞?.06 μm 激光散射到其他方向進(jìn)而抑制其回波信號(hào)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)在3～5 μm 和8～14 μm 的紅外大氣窗口具有極低的發(fā)射率。超表面陣列間留有 μm 級(jí)寬度的間隙，使得微波幾乎能夠全部透射進(jìn)而被底層的吸波材料高效吸收。仿真結(jié)果表明，在入射角不超過(guò)40°時(shí)，TE 和TM 偏振光在7～12.7 GHz 的頻率范圍內(nèi)吸收效率均超過(guò)90%。進(jìn)一步，他們于2022 年又提出了一種大面積的跨尺度分層超材料[84]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)激光、熱紅外以及微波的多頻譜兼容隱身，所設(shè)計(jì)的器件可以通過(guò)納米壓印技術(shù)進(jìn)行大面積低成本制造。如圖7(b)所示，采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與上述工作類似，也是由全金屬超表面陣列和微波吸收器組成。其中超表面能夠同時(shí)將1.06 μm 和10.6 μm 波長(zhǎng)的激光散射到其他方向使得鏡面反射率縮減至0.2，同時(shí)金屬結(jié)構(gòu)表面還可以保持不超過(guò)0.2 的紅外發(fā)射率。入射的微波通過(guò)金屬超表面陣列后被下方的吸波材料吸收，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在2.7-26 GHz 的超寬帶范圍內(nèi)吸收效率超過(guò)90%?？紤]到隱身材料作為蒙皮時(shí)經(jīng)常需要曲面貼合，Huang 等人將金屬反射層加工在PDMS 襯底上，實(shí)現(xiàn)了一種柔性金屬超表面[85]，如圖7(c)所示。該結(jié)構(gòu)基于相消干涉原理實(shí)現(xiàn)了1.06 μm 和1.55 μm 激光的高效吸收。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)的棋盤型超表面結(jié)構(gòu)可以調(diào)控10.6 μm 激光散射從而降低其鏡面反射率，最終同時(shí)實(shí)現(xiàn)三波長(zhǎng)激光(1.06 μm、1.55 μm、10.6 μm)的低反射，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反射率分別為0.017、0.13、0.17。該金屬結(jié)構(gòu)在3～5 μm 和8～14 μm 波段依然保持低的熱輻射特性，平均發(fā)射率分別為0.19 和0.11。除此之外，該材料還表現(xiàn)出超疏水性等特點(diǎn)，為多頻譜兼容隱身提供了有效手段。

圖7 基于全金屬超表面建立的多頻譜兼容隱身超材料。(a) 激光-紅外-微波隱身兼容的分層超材料示意圖及仿真結(jié)果[83];(b)大面積跨尺度分層超材料示意圖及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果[84];(c)多波長(zhǎng)激光-紅外兼容的柔性金屬超表面示意圖及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果[85]Fig.7 Multispectral compatible stealth metamaterials based on all-metal metasurfaces.(a) Schematic diagram and simulation results of the hierarchical metamaterial for laser-infrared-microwave compatible stealth[83];(b) Schematic diagram of the large-area and multiscale hierarchical metamaterials and experimental test results 84];(c) Schematic diagram and experiment results of the flexible metallic metasurface for multi-wavelength lasers and infrared compatible stealth[85]

3 總結(jié)與展望

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在基于全金屬超表面的電磁波相位調(diào)控技術(shù)方面開展了廣泛和深入的研究，設(shè)計(jì)并制備了一系列新型功能器件與材料。綜合來(lái)看，全金屬超表面表現(xiàn)出了加工簡(jiǎn)單、機(jī)械性能好等優(yōu)勢(shì)，并且具有高效率、寬帶等特點(diǎn)，有望為實(shí)現(xiàn)下一代集成化、平面化光學(xué)器件及多頻譜兼容的電磁隱身材料提供方案。

盡管全金屬超表面在近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注和長(zhǎng)足的發(fā)展，但仍然面臨著許多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。光波所攜帶的信息非常豐富，如振幅、相位以及偏振態(tài)等，進(jìn)一步開發(fā)光學(xué)多參量調(diào)控，有望實(shí)現(xiàn)多維度信息復(fù)用；其次，金屬材料普遍具有優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)等性能，如何充分發(fā)揮全金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)并探索其在多物理場(chǎng)調(diào)控中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究；最后，目前全金屬超表面同樣面臨無(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)控的問(wèn)題，在未來(lái)實(shí)現(xiàn)更多更復(fù)雜功能的同時(shí)，發(fā)展動(dòng)態(tài)可調(diào)諧的手段將能夠豐富其應(yīng)用場(chǎng)景。