無反射電磁超構(gòu)表面研究進展

范輝穎，羅 杰

蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006

1 引言

電磁超構(gòu)材料(Metamaterials)[1-3]是一種由具有特定電磁響應(yīng)的亞波長微結(jié)構(gòu)單元組成，且具有天然物質(zhì)所不存在的電磁特性的人工微結(jié)構(gòu)材料。通過合理選擇微結(jié)構(gòu)單元的材料和幾何結(jié)構(gòu),超構(gòu)材料可以突破天然物質(zhì)的限制，擁有近乎任意的電磁參數(shù),例如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等，展現(xiàn)出了豐富的非常規(guī)物理效應(yīng)，例如負折射[4]、完美透鏡效應(yīng)[5-7]、電磁隱身[8-11]等，為實現(xiàn)多維度、多功能的電磁調(diào)控器件奠定了重要的理論與材料基礎(chǔ)。

微型化與集成化是電磁器件的未來發(fā)展趨勢。超構(gòu)表面(Metasurfaces)[12-46]，作為超構(gòu)材料的二維平面形式，因擁有厚度薄、損耗低、易于加工制備和集成等優(yōu)點，以及巨大的應(yīng)用潛力，受到全世界研究人員的廣泛關(guān)注。超構(gòu)表面通常由單層或多層亞波長人工微結(jié)構(gòu)單元按照特定功能需要排列構(gòu)成，能夠在亞波長尺度上實現(xiàn)對電磁波的振幅、相位、波前、色散、偏振態(tài)以及角動量等多個維度的精準調(diào)控。近年來，研究人員相繼提出了梯度超構(gòu)表面[12,13,47-48]、編碼超構(gòu)表面[26,49-50]、非線性超構(gòu)表面[30-32]、惠更斯超構(gòu)表面[44-46,51-52]、布儒斯特超構(gòu)表面[53-56]等不同類型的電磁超構(gòu)表面，它們在波前操控[12-13,47]、高效表面波耦合器[48,57-59]、超構(gòu)透鏡[60-71]、偏振調(diào)控[52,72-76]、電磁波吸收[77-84]、隱形斗篷[85-89]等應(yīng)用方面顯示了巨大的潛力和優(yōu)勢。

效率是諸如超構(gòu)透鏡、偏振調(diào)控等應(yīng)用中的一個極為關(guān)鍵的性能指標，因此，如何提升電磁調(diào)控效率是超構(gòu)表面領(lǐng)域中的一個關(guān)鍵科學(xué)問題。對于具有廣泛應(yīng)用前景的透射式超構(gòu)表面，其效率主要受限于損耗和反射這兩個因素[29,90-91]。鑒于此，提高效率的方法就是降低損耗和消除反射，前者可以通過采用損耗極低的電介質(zhì)材料來實現(xiàn)[27-28,92]，而后者通常需要在微結(jié)構(gòu)單元中構(gòu)建精準的電諧振和磁諧振來消除反射。于是，研究人員相繼提出了惠更斯超構(gòu)表面[44-46,51-52]、多層結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面[18,29,87]、布儒斯特超構(gòu)表面[53-56]等新型超構(gòu)表面，從諧振型物理機制發(fā)展到了非諧振物理機制，從單一頻率擴展到了寬頻段，從小入射角拓展到了大入射角，甚至全角度，這些為實現(xiàn)高效率電磁器件提供了新理論與新方案。在這里，我們將結(jié)合了反射波抑制機制，并能夠?qū)崿F(xiàn)對透射波振幅、相位、偏振、傳播方向等高效調(diào)控的一類超構(gòu)表面統(tǒng)稱為無反射超構(gòu)表面。目前，無反射超構(gòu)表面的機理與設(shè)計研究仍是該領(lǐng)域的重要研究方向之一。

本文全面地綜述了無反射電磁超構(gòu)表面的理論與應(yīng)用。首先介紹了消除超構(gòu)表面上反射的基本原理，包括惠更斯原理、電磁諧振、布儒斯特效應(yīng)等。然后，介紹了無反射電磁超構(gòu)表面的一些重要應(yīng)用，包括折射操控、偏振操控、超構(gòu)減反膜、電磁波完美吸收等。最后，對該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景進行了總結(jié)與展望。

2 無反射超構(gòu)表面的物理機理與設(shè)計方法

超構(gòu)表面的厚度通常遠小于電磁波波長，因此，可以將超構(gòu)表面看作是沒有厚度的“過渡界面”，在該界面上，入射波與折射波的電磁場往往是不連續(xù)的，從而產(chǎn)生了反射波。由此可見，消除反射的一個重要手段是在超構(gòu)表面中引入等效的電流密度和磁流密度來滿足入射波與折射波的電磁場邊界條件。另一方面，超構(gòu)表面也可以看作是一個厚度很薄的均勻等效介質(zhì)，由等效介電常數(shù)、等效磁導(dǎo)率等參數(shù)來描述。在這種情況下，超構(gòu)表面上的反射可以看作是其等效介質(zhì)與空氣的阻抗不匹配導(dǎo)致的，因而，消除反射的另一個重要手段就是在超構(gòu)表面的微結(jié)構(gòu)單元中構(gòu)建平衡的電諧振和磁諧振響應(yīng)，從而獲得與空氣匹配的等效阻抗。本節(jié)主要從這兩個角度出發(fā)，介紹無反射電磁超構(gòu)表面的物理機理與設(shè)計方法，并討論拓展入射角范圍與工作帶寬的機制與方法。

2.1 惠更斯超構(gòu)表面

在超構(gòu)表面的界面上，若將入射電磁波轉(zhuǎn)換為期望的出射電磁波，往往會導(dǎo)致場的不連續(xù)，從而出現(xiàn)反射。在這里，可以將超構(gòu)表面看作是電磁場不連續(xù)的“過渡界面”[93]，并引入正交的表面電流密度JS和表面磁流密度MS，進而保證電場和磁場的連續(xù)性，如圖1(a)所示。在被動式(passive)超構(gòu)表面中，這樣的表面電流和表面磁流可以由入射波通過激發(fā)超構(gòu)表面中微結(jié)構(gòu)單元的電響應(yīng)和磁響應(yīng)產(chǎn)生。由此，區(qū)域1 中的入射場 (E1,H1)和區(qū)域2 中的任意場(E2,H2)可以通過如下邊界條件關(guān)聯(lián)：

圖1 惠更斯超構(gòu)表面。(a) 惠更斯超構(gòu)表面的物理機制示意圖[93]；(b) 金屬結(jié)構(gòu)的惠更斯超構(gòu)表面[51]；(c) 全電介質(zhì)惠更斯超構(gòu)表面[92]Fig.1 Huygens’ metasurfaces.(a) Illustration of the physical mechanism of the Huygens’ metasurfaces[93];(b) Metallic Huygens’ metasurfaces[51];(c) All-dielectric Huygens’ metasurfaces[92]

其中：T為超構(gòu)表面上的透射系數(shù)，η為自由空間中的波阻抗。一般情況下Yes和Zms為張量，而對于特定線偏振電磁波在垂直入射的情況下，可以簡化為式(3)中的標量形式[51]。

對于無反射、全透射的惠更斯超構(gòu)表面，其透射系數(shù)T可寫為T=eiφ，代入式(3)可得Yesη=Zms/η=-i2tan(φ/2)。結(jié)果表明，歸一化的表面電導(dǎo)納和磁阻抗相等且為純虛數(shù)。此外，表面阻抗與透射相位φ 有關(guān)，每個特定的透射相位對應(yīng)于相應(yīng)的表面導(dǎo)納或阻抗。另一方面，超構(gòu)表面的表面電導(dǎo)納Yes與磁阻抗Zms分別正比于電極化率與磁極化率(即)，它們分別對應(yīng)于微結(jié)構(gòu)單元中的電偶極矩與磁偶極矩。由此，可得到無反射條件為

即超構(gòu)表面的微結(jié)構(gòu)單元需滿足平衡的電諧振與磁諧振響應(yīng)。

為此，Pfeiffer 等人設(shè)計了由一層電諧振的對稱錨狀結(jié)構(gòu)與一層磁諧振的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)組成的微結(jié)構(gòu)單元[51]，如圖1(b)所示。上下兩層結(jié)構(gòu)分別用于調(diào)控電諧振與磁諧振響應(yīng)，產(chǎn)生電極化率與磁極化率，通過改變結(jié)構(gòu)單元的尺寸和上下層之間的間隔距離，可使其滿足平衡條件，即式(4)。此時，等效電導(dǎo)納和磁阻抗分別為Yesη=0.02+3.14i和Zms/η=0.07+2.3i，近似滿足式(3)。這一惠更斯超構(gòu)表面可以將從底部垂直入射的平面波偏折45°，而不引起反射。同年，Pfeiffer 等人[52]還提出了一種三層對稱結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建的惠更斯超構(gòu)表面，每一層微結(jié)構(gòu)用以調(diào)控電諧振，而利用頂層與底層結(jié)構(gòu)單元之間的容性耦合可以調(diào)控磁諧振。這兩項開創(chuàng)性工作很快激起了一系列后續(xù)研究，多層堆疊結(jié)構(gòu)[73,94,101]、螺旋型[99]、Ω 型[100,119,131]等不同類型的惠更斯超構(gòu)表面被相繼提出。

然而，在可見光和近紅外等高頻段，金屬結(jié)構(gòu)面臨著巨大的歐姆損耗，這大大降低了電磁波在惠更斯超構(gòu)表面中的透射效率[95,129]。為了解決這一問題，2015 年Decker 等人提出了一種全電介質(zhì)惠更斯超構(gòu)表面[92]，由高折射率的電介質(zhì)納米盤陣列構(gòu)成，如圖1(c)所示。每個電介質(zhì)納米盤都可看作是一個理想的惠更斯源，這樣的電介質(zhì)納米盤可以同時激發(fā)電偶極和磁偶極模式，通過改變納米盤的半徑與高度，可以有效調(diào)控其電偶極模式對應(yīng)的等效電極化率，以及磁偶極模式對應(yīng)的等效磁極化率。當它們滿足平衡條件，即式(4)時，超構(gòu)表面上的反射將被消除，同時，透射光波的相位操控可以覆蓋整個 2π相位。原則上，電介質(zhì)惠更斯超構(gòu)表面光波操控的透射效率可以達到100%。

Decker 等人進一步通過實驗證實了0 到2 π的透射相位覆蓋，在近紅外的傳輸效率超過55%[92]。

值得一提的是，電介質(zhì)惠更斯超構(gòu)表面的無反射現(xiàn)象也可以看作是一類廣義Kerker 效應(yīng)[105,108,132]，當硅納米盤中的電偶極子共振強度和磁偶極子共振強度相等時，滿足第一Kerker 條件，其等效相對介電常數(shù)與磁導(dǎo)率相等，此時背向散射為零，即超構(gòu)表面上的反射為零。

上述無反射機理適用于任意偏振與入射角的電磁波。2015 年，Paniagua 等人研究了由高折射率電介質(zhì)納米顆粒陣列構(gòu)成的超構(gòu)表面在不同偏振、入射角的光波下的反射特性[104]，研究發(fā)現(xiàn)，對于任一偏振，都可以在特定入射角下獲得無反射效果，且入射角的變化范圍涵蓋了0～90°。類似于上述的電介質(zhì)惠更斯超構(gòu)表面，這一無反射特性也是由電介質(zhì)納米顆粒中激發(fā)的電偶極子和磁偶極子的相互作用引起的，對特定偏振光在特定角度上產(chǎn)生了輻射抑制效應(yīng)。Paniagua 等人將這一無反射現(xiàn)象稱為廣義布儒斯特效應(yīng)[104,107]。2018 年Kwon 等人進一步研究了這一零反射現(xiàn)象的物理機制[111]，指出正交切向電偶極子和磁偶極子產(chǎn)生的對稱散射與非對稱散射的相消干涉導(dǎo)致了零反射，并進一步證實了透射相位確實覆蓋整個2π范圍。

惠更斯超構(gòu)表面為電磁波的無反射操控提供了新思路，鑒于其可以極大提高超構(gòu)表面的透射效率，相關(guān)研究迎來了飛速發(fā)展，從被動型到可調(diào)諧的主動型[67,98,102,122,133]，從各向同性到雙各向異性[100,110]，從偶極諧振到高極諧振[118]，在波前調(diào)控[51,116]、偏振調(diào)控[73,76,114]、超構(gòu)透鏡與全息成像[67,113,117,121]等方面展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用前景。

2.2 多層結(jié)構(gòu)的無反射超構(gòu)表面

上述惠更斯超構(gòu)表面主要通過對電諧振與磁諧振的調(diào)控并使其滿足平衡條件來消除反射。2016 年，Sun 等人提出了一類無需借助磁諧振結(jié)構(gòu)的無反射超構(gòu)表面[59]，由類似三明治的ABA 型結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成(圖2(a))，其中A 和B 代表兩種非磁性超構(gòu)材料(相對磁導(dǎo)率為1)，它們厚度分別為dA和dB，相對介電常數(shù)分別為 εA和 εB。通過傳輸矩陣[132,134]，可推導(dǎo)得零反射條件：

圖2 多層結(jié)構(gòu)的無反射超構(gòu)表面。(a) ABA 型的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)單元及機理[59];(b) ABA 型的無反射超構(gòu)表面及對折射波的操控[87]Fig.2 Multi-layered reflectionless metasurfaces.(a) ABA-type metasurface units and the underlying mechanism[59];(b) ABA-type reflectionless metasurfaces for refracted wave manipulation[87]

根據(jù)零反射曲線與等相位曲線的交點，Sun 等人設(shè)計了五種不同的微結(jié)構(gòu)單元，可以在獲得低反射的同時實現(xiàn)對透射相位的調(diào)控，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)右圖所示，其中H 形金屬結(jié)構(gòu)和金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分別用于獲得正值和負值的等效介電常數(shù)。通過將這五種微結(jié)構(gòu)單元進行組合，他們設(shè)計了一種無反射的梯度超構(gòu)表面，并用以實現(xiàn)高效表面等離激元耦合器。實驗結(jié)果表明，在9.2 GHz 的頻率下，可以將自由空間中的入射波高效地轉(zhuǎn)化為人工表面等離激元，其效率(模型效率為94%，實驗效率近80%)超過當時所有的表面波耦合器件[59]。

基于這一多層結(jié)構(gòu)的無反射超構(gòu)表面，2018 年Chu 等人設(shè)計了一種用于偏折入射波的無反射梯度超構(gòu)表面[87]，其由6 個擁有不同透射相位的微結(jié)構(gòu)單元組成，如圖2(b)所示，在10.2 GHz 的頻率下，可以將正入射的電磁波彎曲到45°，實驗測得透射率為87%。并且，他們進一步將這一無反射梯度超構(gòu)表面與零折射率材料[135-142]相結(jié)合，設(shè)計出了一款超薄隱形斗篷。

值得一提的是，這類多層結(jié)構(gòu)的無反射超構(gòu)表面也可以通過電磁諧振的機制來理解，每一層中的微結(jié)構(gòu)提供了電諧振響應(yīng)，而層間耦合引起了有效的磁諧振響應(yīng)[29,52]。

2.3 布儒斯特超構(gòu)表面

惠更斯超構(gòu)表面與多層結(jié)構(gòu)的無反射超構(gòu)表面都采用的是諧振型微結(jié)構(gòu)單元。然而，諧振的本性使得微結(jié)構(gòu)單元的電磁響應(yīng)通常對其關(guān)鍵物理量(如材料、幾何構(gòu)型、幾何參數(shù))的變化極其敏感，同時，諧振的本性也決定了有限的工作帶寬。這一物理機制使得無反射超構(gòu)表面的工作帶寬往往較窄。

為了解決諧振導(dǎo)致的有限帶寬這一問題，2021年Luo 等人[53]提出了一種基于非諧振物理機制的無反射超構(gòu)表面，即布儒斯特超構(gòu)表面，其物理機制為非諧振的反常布儒斯特效應(yīng)。布儒斯特效應(yīng)是光學(xué)中一個重要的基本概念，當自然光以布儒斯特角入射到介質(zhì)界面，且反射光線與折射光線互相垂直時，橫磁(transverse magnetic，TM)偏振光不發(fā)生反射，完全透射進入介質(zhì)[53,76,104,143-146]。而這里的反常布儒斯特效應(yīng)結(jié)合了經(jīng)典布儒斯特效應(yīng)、光學(xué)互易原理以及各向異性介質(zhì)中的豐富的參數(shù)自由度，超越了經(jīng)典布儒斯特效應(yīng)，能夠在超寬頻譜中實現(xiàn)無反射的電磁波吸收和折射操控。為探究其原理，他們首先研究了TM 偏振電磁波在各向異性介質(zhì)基底上的反射系數(shù)(圖3(a)左圖):

圖3 布儒斯特超構(gòu)表面。(a) 布儒斯特超構(gòu)表面的機理及其對折射波的無反射操控[53]；(b) 光學(xué)布儒斯特超構(gòu)表面的設(shè)計及寬頻無反射特性[54]Fig.3 Brewster metasurfaces.(a) The underlying physics of Brewster metasurfaces and their applications for reflectionless manipulation of refracted waves[53];(b) The design and broadband reflection property of optical Brewster metasurfaces[54]

值得指出的是，反常布儒斯特效應(yīng)是一種非諧振的物理效應(yīng)，因而可以實現(xiàn)超寬頻無反射電磁波操控?；谶@一新物理效應(yīng)，2021 年，Luo 等人設(shè)計了一種新型光/電磁波吸收體，即布儒斯特吸收體，在反常布儒斯特角下，理論上可以從準靜場到光頻的超寬頻段內(nèi)實現(xiàn)無反射的吸收[53]。同年，F(xiàn)an 等人基于反常布儒斯特效應(yīng)，設(shè)計了光頻段的布儒斯特超構(gòu)表面(圖3(b))[54]，由嵌入在電介質(zhì)基底中的傾斜金屬薄膜陣列組成，數(shù)值模擬結(jié)果表明，在400～1400 nm 的波長范圍內(nèi)，對于 |θi|≤75°角度內(nèi)的入射光波，反射率始終都很低(圖3(b)右圖)。此外，Ma 等人將布儒斯特超構(gòu)表面與相變材料相結(jié)合[55]，提出了寬頻可調(diào)諧的角度非對稱光傳輸器件的設(shè)計方案。2022 年，F(xiàn)an等人進一步設(shè)計了對掠射(入射角接近 90°)電磁波寬頻無反射的布儒斯特超構(gòu)表面[56]，其零反射角原則上可以任意大。由于所設(shè)計的布儒斯特超構(gòu)表面是由簡單的非諧振結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，不需要特別的磁響應(yīng)，因此擁有超大的工作帶寬，原則上可以從準靜場一直到光頻段。

2.4 廣角無反射超構(gòu)表面

為了拓寬無反射超構(gòu)表面的角度范圍，研究人員提出了多種方案。例如，2019 年，Wang 等人利用巧妙設(shè)計的電磁諧振微結(jié)構(gòu)單元[146]，構(gòu)造了一款對橫電(transverse electric，TE)波廣角無反射的太赫茲超構(gòu)表面，其微結(jié)構(gòu)單元如圖4(a)所示，由置于電介質(zhì)基底上的一個金屬方形環(huán)和一個金屬圓盤組成。周期性排列的金屬方形環(huán)將形成兩個正交的金屬棒，產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的電響應(yīng)。與此同時，金屬圓盤通過感應(yīng)表面電流產(chǎn)生與施加磁場相反的各向異性磁矩，從而產(chǎn)生了可調(diào)諧的磁響應(yīng)。通過改變金屬方形環(huán)與金屬圓盤的結(jié)構(gòu)尺寸，可以有效調(diào)控超構(gòu)表面的空間色散，從而對TE 波實現(xiàn)與空氣在近乎所有角度上的阻抗匹配(圖4(a))。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在0°～84°的角度范圍內(nèi)，TE 波在該超構(gòu)表面上的反射率均小于0.1%。

圖4 廣角無反射超構(gòu)表面。(a) 對TE 波廣角無反射的太赫茲超構(gòu)表面[146];(b) 對TE 波廣角無反射的微波超構(gòu)表面[152]Fig.4 Wide-angle reflectionless metasurfaces.(a) Wide-angle reflectionless terahertz metasurfaces for TE waves[146];(b) Wide-angle reflectionless microwave metasurfaces for TE waves[152]

2022 年，Lv 等人通過各向異性的電磁諧振微結(jié)構(gòu)單元，獲得了滿足近乎全角度阻抗匹配要求的各向異性電磁參數(shù)，實現(xiàn)了近全角度無反射的微波超構(gòu)表面[152]，其等效相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率張量表示為

全角度零反射條件要求電磁參數(shù)滿足：

式(9)可以看作是實現(xiàn)全角度布儒斯特效應(yīng)的條件[149,153]。另一方面，從變換光學(xué)的角度，式(9)也可以看作是對一薄層空氣坐標拉伸或壓縮而得到的變換光學(xué)材料所滿足的參數(shù)條件[8,154-155]。Lv 等人設(shè)計的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)單元[152]如圖4(b)左圖所示，由電諧振結(jié)構(gòu)與磁諧振結(jié)構(gòu)組成，電諧振結(jié)構(gòu)位于中間層，磁諧振結(jié)構(gòu)放置在基板的頂層和底層，并通過金屬通孔連接。數(shù)值結(jié)果表明，在9～10 GHz 的頻段內(nèi)，其等效電磁參數(shù)近似滿足式(9)。實驗測量結(jié)果(圖4(b)右圖)表明，對于TE 波，該超構(gòu)表面擁有寬頻(9～10.2 GHz)、廣角(0°～80°)的無反射特性。

值得一提的是，研究人員還針對掠射區(qū)域(入射角接近 90°)設(shè)計了特別的無反射超構(gòu)表面。事實上，要在掠射下實現(xiàn)電磁波的無反射是非常具有挑戰(zhàn)性的，這是因為空氣的波阻抗在掠射區(qū)域會急劇增大或降低，且對入射角極其敏感。為了獲得掠射下的無反射特性，2022 年，Chu 等人利用各向異性的電磁諧振結(jié)構(gòu)，針對大入射角(75°～85°)設(shè)計了對TE 波和TM 波均無反射的微波超構(gòu)表面[156]。同年，F(xiàn)an 等人基于反常布儒斯特效應(yīng)與廣義布儒斯特效應(yīng)，設(shè)計了對掠射TM波超寬頻無反射的布儒斯特超構(gòu)表面，其零反射角原則上可以任意接近90°[56]。

2.5 寬頻無反射超構(gòu)表面

通常情況下，諧振機制的本性會導(dǎo)致無反射超構(gòu)表面被限制在很窄的頻譜內(nèi)。布儒斯特超構(gòu)表面利用非諧振的物理機制，突破了諧振型超構(gòu)表面的帶寬限制，擁有超大的工作帶寬[53-56]。然而，布儒斯特超構(gòu)表面只適用于斜入射，不能對垂直入射的電磁波實現(xiàn)超寬頻無反射操控。

為了拓展諧振型超構(gòu)表面的無反射帶寬，2015 年，Asadchy 等人利用螺旋型微結(jié)構(gòu)單元設(shè)計了一款寬頻無反射的微波超構(gòu)表面，由于入射電磁波與微結(jié)構(gòu)單元的相互作用非常微弱，因而在非諧振頻率下通常不會引起大的反射(圖5(a)左圖)[99]。數(shù)值結(jié)果表明，在10 GHz 頻率以下，該超構(gòu)表面的反射率均非常低(圖5(a)右圖)。同年，Dong 等人運用優(yōu)化算法設(shè)計了一款寬頻低反射的太赫茲超構(gòu)表面(圖5(b)左圖)[157]。為了實現(xiàn)在工作頻段內(nèi)的透射相位連續(xù)調(diào)控，他們設(shè)計了兩種不同的微結(jié)構(gòu)單元。實驗結(jié)果表明，在1～1.8 THz 頻段內(nèi)，垂直入射電磁波在該超構(gòu)表面上的反射均非常小(圖5(b)右圖)。

新規(guī)則“4整理原則”分解為四點，4.1與4.2的內(nèi)容與舊規(guī)則內(nèi)容一致，均強調(diào)“遵循文件的形成規(guī)律，保持文件之間的有機聯(lián)系，區(qū)分不同價值，便于保管和利用?！?.3與4.4為擴充內(nèi)容，4.3“歸檔文件整理應(yīng)符合文檔一體化管理要求，便于計算機管理或計算機輔助管理”是適應(yīng)當前實際工作需求的必要之舉。信息技術(shù)的發(fā)展必然要求歸檔文件整理符合新規(guī)則4.3的要求。4.4“歸檔文件整理應(yīng)保持紙質(zhì)文件和電子文件整理協(xié)調(diào)統(tǒng)一”，這一原則與新規(guī)則的適用對象(紙質(zhì)與電子文件)相呼應(yīng)，同時也與當前紙質(zhì)文件、電子文件雙套制管理模式相符合。

圖5 寬頻無反射超構(gòu)表面。(a) 基于螺旋型微結(jié)構(gòu)單元的寬頻無反射微波超構(gòu)表面[99]；(b) 利用優(yōu)化算法設(shè)計的寬帶低反射的太赫茲超構(gòu)表面[157]；(c) 由雙層微結(jié)構(gòu)單元組成的超寬頻無反射超構(gòu)表面[158]Fig.5 Broadband reflectionless metasurfaces.(a) Broadband reflectionless microwave metasurfaces consisting of double-turn helix units[99];(b) Broadband low-reflection terahertz metasurfaces based on optimization methods[157];(c) Ultra-broadband reflectionless microwave metasurfaces consisting of double-layer units[158]

盡管通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以在一定程度上擴展無反射帶寬，但無反射帶寬總是很有限。2023 年，Zheng 等人提出了實現(xiàn)寬頻無反射的新機制[158]。他們設(shè)計的超構(gòu)表面由雙層微結(jié)構(gòu)單元組成(圖5(c)左圖)，利用上下兩層中微結(jié)構(gòu)單元的近場(near field，NF)耦合與遠場(far field，F(xiàn)F)耦合誘導(dǎo)的Kerker 效應(yīng)，實現(xiàn)了寬頻無反射的超構(gòu)表面。模擬結(jié)果表明，該超構(gòu)表面的反射率在0～225 THz 這一超寬頻段內(nèi)都幾乎為零。實驗表明，反射率在除諧振頻率外的整個實驗頻率范圍(160～220 THz)都非常小。此項工作為超寬頻無反射超構(gòu)表面提供了新思路。

綜上所述，反射在很大程度上影響了超構(gòu)表面的使用效率，無反射超構(gòu)表面充分利用了微結(jié)構(gòu)單元的電響應(yīng)和磁響應(yīng)，獲得了與空氣匹配的等效阻抗，消除了反射。這種無反射特性使得人們能夠進一步提升表面波耦合、光場調(diào)控、超構(gòu)透鏡、電磁隱身等器件的效率，為實現(xiàn)高效率電磁器件提供了新理論與新方案，在前沿研究和應(yīng)用中有重要意義。

值得一提的是，除了上述方法，還有一些其它方法可以實現(xiàn)電磁波的無反射，例如異常光學(xué)透射(extraordinary optical transmission,EOT)[159-174]和電磁誘導(dǎo)透明 (electromagnetically induced transparency,EIT)[175-192]。前者為電磁波通過帶有亞波長孔徑的金屬板時，周期性的孔陣列在入射光照射下出現(xiàn)了宏觀Bloch 模式，這種表面模式是一種束縛在金屬表面的電磁波波導(dǎo)模式，可以增強金屬表面的電磁場，從而獲得相對于經(jīng)典小孔透射理論高得多的透射率[159-162]。而電磁誘導(dǎo)透明被發(fā)現(xiàn)于三能級原子系統(tǒng)中，是一種典型的量子相干效應(yīng)，通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)誘導(dǎo)光束，探測光束可以直接透過介質(zhì)，不再被介質(zhì)吸收，使得原本不透明的介質(zhì)產(chǎn)生一個窄帶的透明窗口[176-178]。

3 無反射超構(gòu)表面的應(yīng)用

無反射超構(gòu)表面極大地提高了超構(gòu)表面對電磁波的操控效率，為實現(xiàn)高效率電磁器件提供了新理論與新方案。本節(jié)將討論基于無反射超構(gòu)表面的重要應(yīng)用，包括異常折射[51,61,95,112,193]、偏振操控[72-74]、超構(gòu)減反膜[123,194,195]和完美吸收[53-56,77,128,196-204]。

3.1 異常折射

根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電磁波入射到兩種介質(zhì)交界面處會發(fā)生折射，其方向滿足經(jīng)典斯涅耳定律，即

其中：θi和 θi分別是入射角和折射角，ni和nt為入射和折射介質(zhì)的折射率。式(10)是建立在電磁波在入射和折射介質(zhì)界面上切向波矢分量連續(xù)這一基礎(chǔ)上的。有趣的是，近些年研究人員發(fā)現(xiàn)在非均勻的梯度界面上，入射和折射電磁波的切向波矢分量不再滿足連續(xù)條件，需要將因界面的非均勻性而額外引起的波矢切向分量考慮在內(nèi)。此時，將出現(xiàn)異常折射現(xiàn)象，不再滿足經(jīng)典斯涅耳定律[12-15]。

超構(gòu)表面可以實現(xiàn)對透射波相位的操控，覆蓋整個0～2π 范圍。鑒于此，研究人員利用了梯度超構(gòu)表面中微結(jié)構(gòu)單元的“排列序構(gòu)”自由度，將具有不同透射相位的微結(jié)構(gòu)單元作為次波源，干涉形成任意的電磁波波前形貌，從而控制折射波的傳播方向。這樣的梯度超構(gòu)表面可以看作是等效的非均勻界面。例如，當超構(gòu)表面的透射相位 ?(r)滿足線性分布：

入射波在超構(gòu)表面上的折射將滿足廣義斯涅耳定律[12-15]：

其中，ξ是超構(gòu)表面的透射相位梯度。式(12)意味著通過改變超構(gòu)表面的相位梯度ξ，可以有效操控透射波的折射角，形成異常折射。

得益于無反射超構(gòu)表面對透射波高效調(diào)控的優(yōu)勢，其為實現(xiàn)高效異常折射提供了重要平臺。前文提到，合理設(shè)計超構(gòu)表面的微結(jié)構(gòu)單元的材料和幾何結(jié)構(gòu)，可以在零反射條件下實現(xiàn)對透射波相位的操控，覆蓋整個0～2π 范圍，從而實現(xiàn)對折射波傳播方向的高效操控。基于這一折射調(diào)控思路，在2013 年，Pfeiffer等人設(shè)計了一款微波頻段的梯度惠更斯超構(gòu)表面[51]，其實驗樣品如圖6(a)所示，以12 個擁有不同透射相位的微結(jié)構(gòu)單元為一組，沿y方向周期排布構(gòu)成了該超構(gòu)表面。實驗結(jié)果(圖6(a)右圖)表明，該梯度惠更斯超構(gòu)表面可以有效地將垂直入射波偏折 45°，在9～12 GHz 頻段內(nèi)，其效率最高可達86%。次年，Pfeiffer 等人又設(shè)計了一款近紅外波段的梯度惠更斯超構(gòu)表面(圖6(b))[95]，由三層刻蝕在氧化硅襯底上的30 nm 厚的金膜圖案組成，每層的金線和金圓盤產(chǎn)生電響應(yīng)，層間耦合誘導(dǎo)了等效磁響應(yīng)。數(shù)值結(jié)果(圖6(b)右圖)表明，該超構(gòu)表面可以將從底部氧化硅襯底中垂直入射的1.5 μm 波長的平面波偏折到θ=35.2°。由于金的歐姆損耗，該超構(gòu)表面的最高效率為30%。

圖6 異常折射。(a) 微波頻段的梯度惠更斯超構(gòu)表面[51]；(b) 近紅外波段的梯度惠更斯超構(gòu)表面[95]；(c) 太赫茲頻段的無反射的梯度編碼超構(gòu)表面[193]Fig.6 Anomalous refraction.(a) Microwave gradient Huygens’ metasurfaces[51];(b) Near-infrared gradient Huygens’ metasurfaces[95];(c) Terahertz reflectionless gradient coding metasurfaces[193]

2016 年Liu 等人設(shè)計了一款無反射的梯度編碼超構(gòu)表面，同時實現(xiàn)了太赫茲波束的異常折射與偏振轉(zhuǎn)化(圖6(c))[193]。該超構(gòu)表面由三層旋轉(zhuǎn)的開口金屬環(huán)構(gòu)成，每層結(jié)構(gòu)都可看作是具有特定表面電抗的等效表面電阻層，通過級聯(lián)三層超構(gòu)表面，可以在低反射條件下實現(xiàn)0～2π 相位覆蓋。此外，該超構(gòu)表面采用了無襯底結(jié)構(gòu)，從而避免了由襯底引起的強反射。進一步地，通過預(yù)先設(shè)計的編碼序列來調(diào)整開口角和旋轉(zhuǎn)方向，可以有效調(diào)控相鄰層之間的磁電耦合，最終實現(xiàn)了較高效率的線性偏振轉(zhuǎn)換。實驗結(jié)果(圖6(c)右圖)表明，在1.04 THz 頻率下，該超構(gòu)表面在將垂直入射波束偏折 26°的同時實現(xiàn)了交叉偏振(cross polarization)轉(zhuǎn)化，透射效率最高為58%。

異常折射利用的是超構(gòu)表面上的線性透射相位梯度，同理，可以設(shè)計非線性的透射相位梯度，來對電磁波波前進行靈活調(diào)控。例如，利用如下的拋物線型的透射相位梯度，可以實現(xiàn)對垂直入射波的聚焦效應(yīng)：

其中，r是超構(gòu)表面上任一點到中心的距離，f是焦距，λ0是真空波長，nb是背景介質(zhì)折射率。根據(jù)式(13)，通過合理設(shè)計的無反射超構(gòu)表面可以實現(xiàn)高效聚焦成像功能[67]。相比于依靠傳播相位積累來折射光的傳統(tǒng)光學(xué)透鏡，這種基于超構(gòu)表面的新型透鏡—超構(gòu)透鏡，具有超薄的厚度、更高的集成度等優(yōu)勢[60-71]。目前，超構(gòu)透鏡已成為超構(gòu)表面中相當重要且非?；钴S的一個研究方向。

3.2 偏振操控

偏振是電磁波的一個重要特性，對電磁波的偏振進行靈活調(diào)控具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的偏振調(diào)控原理包括布儒斯特效應(yīng)、雙折射效應(yīng)、光柵效應(yīng)等，但它們在不同程度上存在著調(diào)控效率不高、功能有限、體積大等問題。而無反射超構(gòu)表面為透射波偏振的高效調(diào)控提供了新方案，從微波到可見光，研究人員提出了多種不同類型的偏振控制超構(gòu)表面。超構(gòu)表面對電磁波偏振調(diào)控的基本原理與雙折射晶體對光波偏振調(diào)控原理類似，即通過利用面內(nèi)各向異性來改變正交偏振波分量之間的相位延遲來實現(xiàn)。通過設(shè)計各向異性超構(gòu)表面，讓不同極化的電磁波經(jīng)過超構(gòu)表面透射時，具有可控的相位差Δφ，即可實現(xiàn)對入射波偏振態(tài)的自由調(diào)控。

基于這一思路，2013 年，Grady 等人設(shè)計了一款寬帶、高效的太赫茲超構(gòu)表面(圖7(a))[72]，由兩個正交的金屬光柵和中間的金屬條組成，金屬光柵和金屬條用聚酰亞胺間隔。該超構(gòu)表面能夠?qū)⑼干洳ǖ钠穹较蛲耆{(diào)控至入射波偏振的垂直方向，即實現(xiàn)了交叉偏振轉(zhuǎn)化。實驗結(jié)果表明，在1.04 THz 頻率下，偏振轉(zhuǎn)化效率高達80%。2015 年，F(xiàn)an 等人設(shè)計了一款可調(diào)控的太赫茲超構(gòu)表面偏振轉(zhuǎn)換器(圖7(b))[74]，由三層金屬光柵組成，偏振調(diào)控效應(yīng)源于三層金屬光柵間的多波干涉。由于三個光柵都可以自由旋轉(zhuǎn)，因此透射波偏振旋轉(zhuǎn)角可以根據(jù)需求靈活調(diào)控。數(shù)值結(jié)果表明，在0.20～0.44 THz 頻段內(nèi)，偏振轉(zhuǎn)化效率高達90%，這一結(jié)果也在實驗中得到了驗證。

圖7 偏振操控。(a) 太赫茲各向異性超構(gòu)表面偏振轉(zhuǎn)換器[72]；(b) 可調(diào)控的太赫茲各向異性超構(gòu)表面偏振轉(zhuǎn)換器[74]；(c) 雙各向異性超構(gòu)表面偏振轉(zhuǎn)換器[73]Fig.7 Polarization manipulation.(a) Terahertz anisotropic metasurface as polarization converter[72];(b) Tunable terahertz anisotropic metasurface as polarization converter[74];(c) Bianisotropic metasurface as polarization converter[73]

除線偏振外，超構(gòu)表面也能高效操控圓偏振的轉(zhuǎn)化。例如，2014 年，Pfeiffer 等人設(shè)計了一款三層金屬結(jié)構(gòu)的雙各向異性超構(gòu)表面(圖7(c))[73]，可以將從左側(cè)入射的右旋圓偏振光轉(zhuǎn)化為左旋圓偏振光。這一雙各向異性超構(gòu)表面在理論上可以實現(xiàn)100%的偏振轉(zhuǎn)化效率，而在實際中，因為金屬的歐姆損耗，近紅外實驗測得效率在50%左右。

3.3 超構(gòu)減反膜

前文中討論的無反射超構(gòu)表面都處于對稱環(huán)境中，即入射與出射區(qū)域的材料相同(通常為空氣)。如果兩側(cè)區(qū)域材料不一樣，反射將會再次出現(xiàn)。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控超構(gòu)表面中的電磁諧振，也可以在非對稱環(huán)境下消除反射[123,194-195]。在這種情況下，放置在兩種不同材料界面上的超構(gòu)表面可以看作是一種超構(gòu)減反膜，它消除了原本存在于兩個不同材料界面上的反射波。

2021 年，Lavigne 等人在理論上提出了一款雙各向異性超構(gòu)表面(圖8(a))[194]，由水平放置的雙層H形金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在特定入射角下，可以在兩種任意不同介質(zhì)的界面上同時消除TE 和TM 波的反射。同年，Zhang 等人設(shè)計了一款雙各向異性超構(gòu)表面(圖8(b))[195]，由水平放置的兩種相互垂直的S 形金屬結(jié)構(gòu)組成，通過入射波在該金屬結(jié)構(gòu)上引起的感應(yīng)電流可以實現(xiàn)對電諧振與磁諧振的獨立調(diào)控。該超構(gòu)表面可以同時消除TE 波和TM 波的反射，且擁有較大的工作帶寬與角度范圍[195]，這一結(jié)果在微波實驗中也得到了驗證。

圖8 超構(gòu)減反膜。(a) H 形金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成的雙各向異性超構(gòu)減反膜[194]；(b) S 形金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成雙各向異性超構(gòu)減反膜[195]；(c)同時消除反射和調(diào)控波前的超構(gòu)減反膜[123]Fig.8 Meta-antireflection coatings.(a) Bianisotropic meta-antireflection coating using H-shaped metallic units[194];(b) Bianisotropic meta-antireflection coating using S-shaped metallic units[195];(c) Meta-antireflection coating for simultaneous reflection elimination and wavefront control[123]

上述研究專注于消除反射，2021 年，Chu 等人提出了另一種超構(gòu)減反膜[123]，不僅可以消除界面反射，還可以調(diào)控透射波波前(圖8(c))，使得入射波能夠直接穿透到超構(gòu)表面下方的電介質(zhì)基底中，而沒有折射效果(即波束傳播方向不產(chǎn)生折射)，就好像界面不存在一樣。在某種意義上來看，實現(xiàn)了界面的“隱形”。在微波實驗中，超構(gòu)減反膜被放置在了自由空間和相對介電常數(shù)為4.4 的電介質(zhì)材料界面上，在10 GHz頻率下，觀察到了界面的“隱形”效果[123]。

3.4 完美吸收

利用超構(gòu)表面對電磁波無反射操控的另一個重要的應(yīng)用是電磁波完美吸收。關(guān)于電磁波的完美吸收的研究一直都是電磁領(lǐng)域的研究熱點，在電磁隱身、電磁屏蔽、降低電磁污染等方面有著廣泛應(yīng)用。通常情況下，超構(gòu)表面的等效阻抗不與空氣阻抗匹配，因而會導(dǎo)致電磁波的反射。前文提到，超構(gòu)表面可以看作是一個厚度很薄的均勻等效介質(zhì)，由等效相對介電常數(shù) εeff、等效相對磁導(dǎo)率 μeff來描述。在這種情況下，通過調(diào)控超構(gòu)表面的微結(jié)構(gòu)單元中的電諧振和磁諧振，使其等效參數(shù)滿足如下條件：

即可獲得與空氣匹配的阻抗，從而消除反射。這里，ε0和 μ0分別為真空介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。而要進一步實現(xiàn)電磁波的完美吸收，其等效參數(shù) εeff和 μeff須為復(fù)數(shù)，且虛部較大，這樣進入到超構(gòu)表面中的電磁波能量能夠通過歐姆損耗快速地耗散掉。

基于阻抗匹配這一思路，2008 年，Landy 等人首次提出了完美吸波超構(gòu)表面(圖9(a))[77]，由三層微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，頂層為金屬開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，提供了電諧振響應(yīng)，用以調(diào)控 εeff，而磁諧振響應(yīng)則是中間介質(zhì)層中的磁場通過激發(fā)頂層開口諧振環(huán)的中心金屬條與底層金屬線中的反平行電流獲得，用以調(diào)控 μeff。利用這一超構(gòu)表面，Landy 在11.65 GHz 頻率下獲得了高達99%的吸收率。這項開創(chuàng)性工作很快激起了一系列后續(xù)研究，工作頻率領(lǐng)域覆蓋了從微波到可見光等各個頻段。

圖9 電磁波完美吸收。(a) 基于諧振型超構(gòu)表面的電磁波完美吸收[77]；(b) 基于非諧振型布儒斯特超構(gòu)表面的超寬頻電磁波完美吸收[56]Fig.9 Perfect electromagnetic wave absorbers.(a) Resonant metasurfaces for perfect electromagnetic wave absorption[77];(b) Non-resonant Brewster metasurfaces for ultra-broadband perfect electromagnetic wave absorption[56]

然而，諧振的本性決定了超構(gòu)表面有限的吸收帶寬，這大大地限制了吸波超構(gòu)表面的應(yīng)用范圍，盡管利用多個或者多層工作在相鄰頻點的復(fù)合諧振單元[196-197]，擁有不同諧振頻點的單個微結(jié)構(gòu)單元[198-200]、無序結(jié)構(gòu)[201-202]、梯度結(jié)構(gòu)[203]、色散調(diào)制[204]等的方法可以在一定程度上拓展吸收帶寬，但吸收帶寬總是很有限。同時，復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)給實際制備與應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。

為了徹底克服諧振導(dǎo)致的有限吸收帶寬這一問題，2021 年Luo 等人首次提出了一種非諧振機制的布儒斯特超構(gòu)表面，其原理在于反常布儒斯特效應(yīng)(詳見2.3 小節(jié))[53-56]，因其非諧振本性，所設(shè)計的布儒斯特超構(gòu)表面擁有超大的吸收帶寬，原則上可以從準靜場一直到光頻段。2022 年，F(xiàn)an 等人進一步提出了掠射下超寬頻無反射的布儒斯特超構(gòu)表面(圖9(b))[56]，由置于介質(zhì)基底中的傾斜吸收薄膜陣列，以及覆蓋在介質(zhì)基底上表面的吸收薄膜構(gòu)成，其中傾斜吸收薄膜陣列負責產(chǎn)生反常布儒斯特效應(yīng)，而覆蓋在介質(zhì)基底上表面的吸收薄膜則負責調(diào)控零反射角，該零反射角原則上可以任意大。由于所設(shè)計的布儒斯特超構(gòu)表面是由簡單的非諧振結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，其擁有超大的吸收帶寬。微波實驗結(jié)果表明(圖9(b)下圖)，在8 GHz、10 GHz 和12 GHz 三個頻率下，電磁波吸收率均接近100%[56]。

綜上所述，無反射超構(gòu)表面對電磁波有著高效的調(diào)控功能，如異常透射、偏振操控、減反、完美吸收等。除此以外，無反射超構(gòu)表面還有望在未來被用于解決現(xiàn)有超構(gòu)表面器件的透射效率不高這一問題，例如對于超構(gòu)透鏡，盡管研究人員現(xiàn)階段主要關(guān)注的是其成像功能的提升和改善，但在未來的實際應(yīng)用場景中，透射效率將是一個關(guān)鍵指標。因此，無反射超構(gòu)表面的應(yīng)用在未來還將得到進一步拓展。

4 總結(jié)和展望

本文綜述了近年來無反射電磁超構(gòu)表面的發(fā)展現(xiàn)狀，從機理出發(fā)介紹了惠更斯超構(gòu)表面、多層結(jié)構(gòu)的無反射超構(gòu)表面、布儒斯特超構(gòu)表面等不同類型的無反射電磁超構(gòu)表面，討論了拓展無反射角度范圍與頻率帶寬的機理與方法。目前，無反射電磁超構(gòu)表面已經(jīng)在異常折射、偏振調(diào)控、超構(gòu)減反膜和電磁波完美吸收等方面展現(xiàn)出了重要的實際應(yīng)用價值。

未來，更多的新物理效應(yīng)與新應(yīng)用仍需進一步探索。例如，能夠同時實現(xiàn)全偏振、全角度、超寬頻無反射特性的新機理的研究，以及可重構(gòu)、多功能、高效率超構(gòu)表面器件相關(guān)的新應(yīng)用與新器件的開發(fā)。需要指出的是，無反射電磁超構(gòu)表面的發(fā)展對實驗制造技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)。一方面，需要盡可能降低材料的吸收損耗，尤其是在光頻段，既要求微結(jié)構(gòu)擁有強的電磁諧振響應(yīng)，又要求其電磁損耗盡量小。另一方面，由于超構(gòu)表面微結(jié)構(gòu)單元的電磁響應(yīng)通常對其關(guān)鍵物理量的變化非常敏感，微小的偏差就會導(dǎo)致超構(gòu)表面效率的顯著降低，因此，無反射超構(gòu)表面給精準制造提出了更高的要求。此外，人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以顯著提高超構(gòu)表面的設(shè)計效率，與傳統(tǒng)方法相比，深度學(xué)習(xí)算法具有分析處理大量數(shù)據(jù)的能力[89,205-213]。深度學(xué)習(xí)技術(shù)通過從大型數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)模型變量之間的復(fù)雜關(guān)系來對未知問題進行預(yù)測，可以在短時間內(nèi)從海量數(shù)據(jù)中尋找到最優(yōu)解，達到更高的精度，實現(xiàn)更巧妙的設(shè)計?；谏疃葘W(xué)習(xí)算法的逆向設(shè)計給予了研究人員全新的手段來設(shè)計與優(yōu)化擁有多參數(shù)自由度的超構(gòu)表面，有望實現(xiàn)超構(gòu)表面的無反射特性的按需逆向設(shè)計，這將大大提高相關(guān)電磁/光學(xué)器件的設(shè)計與優(yōu)化效率。

簡而言之，無反射電磁超構(gòu)表面不僅為研究基礎(chǔ)電磁理論提供了一個重要平臺，同時也為研發(fā)高效率電磁器件奠定了重要的理論與材料基礎(chǔ)。在未來，無反射電磁超構(gòu)表面仍將是超構(gòu)表面領(lǐng)域的重要研究方向之一。