中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
超表面能夠對電磁波的偏振、振幅和相位等物理參量進(jìn)行前所未有的調控，微納加工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了超表面在顯示、成像、傳感、防偽、光場(chǎng)調控等領(lǐng)域的應用前景。然而，大多數超表面缺乏動(dòng)態(tài)調控，限制了其應用范圍。
近期，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系和深圳市高分辨光場(chǎng)顯示與技術(shù)工程研究中心的科研團隊在《光電工程》期刊上發(fā)表了以“動(dòng)態(tài)可調諧超表面的研究進(jìn)展與應用”為主題的文章。該文章第一作者為王家偉，通訊作者為劉言軍副教授。
本文將主要介紹當前超表面動(dòng)態(tài)調控的主要機制，包括電調控、熱調控、光調控、機械調控、化學(xué)調控等，綜述了國內外學(xué)者在超表面動(dòng)態(tài)調控方面的研究進(jìn)展。此外，本文還對動(dòng)態(tài)超表面在成像、顯示、光場(chǎng)調控等領(lǐng)域的應用進(jìn)行了概述，闡述了其重要意義和應用前景。最后本文總結了當前可調超表面的主要問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展方向。圖1總結了動(dòng)態(tài)超表面的調控手段與機理，本文將以調控手段分類(lèi)總結動(dòng)態(tài)超表面的研究進(jìn)展，并對動(dòng)態(tài)超表面的應用前景做概要梳理。
圖1 超表面動(dòng)態(tài)調控手段與機理
動(dòng)態(tài)可調諧超表面的調控機制
電調諧動(dòng)態(tài)超表面
可調諧的等離激元超表面主要基于構成超表面的納米結構的材料介電常數，其周邊環(huán)境的介電常數，以及超表面的納米結構的尺寸變化導致的響應變化。電控可調的超表面主要是利用電響應的一些材料，比如液晶材料、二維材料、電致變色材料等改變折射率或者結構單元的尺寸，進(jìn)而達到響應調諧的目的。其中液晶材料集成在超表面上面可以實(shí)現連續的折射率調節，在光調控上有比較廣泛的應用，并且材料的制備工藝非常成熟；二維材料因能帶的連續可調諧性，使其圖形化的結構或者集成其他納米結構都能實(shí)現良好的光學(xué)性能的可調諧，但目前在制備工藝上還不是特別成熟，需要進(jìn)一步探索可能產(chǎn)業(yè)化的制備流程。
如圖2（a）所示，Chanda課題組在鋁納米碗的表面集成了一層平行取向的向列相液晶，液晶材料因為分子結構的棒狀特性導致其具有雙折射效應。在外加電場(chǎng)作用下，液晶分子會(huì )發(fā)生重新取向，重新取向之后的液晶指向矢方向與外加電場(chǎng)的方向一致，從而使得入射電場(chǎng)感受到不同的折射率。因為液晶層直接覆蓋在金屬結構上方，液晶的連續折射率變化，使得等離激元響應產(chǎn)生一個(gè)連續的紅移。除了連續可調的響應變化，Liu課題組利用金屬鋁納米孔的偏振依賴(lài)透射特性和扭曲向列相液晶引起的偏振波導效應展示動(dòng)態(tài)結構色。
圖2 幾種不同材料的電調諧動(dòng)態(tài)超表面方法。（a）液晶材料集成；（b）電致變色材料集成；（c）石墨烯材料集成；（d）相變材料作為間隔層集成
聚吡咯是一種典型的電致變色材料，該材料分散在溶液中后外加或者去除電場(chǎng)時(shí)會(huì )發(fā)生可逆的氧化或者還原化學(xué)反應進(jìn)而改變其能帶的結構，實(shí)現寬帶吸收與不吸收的可逆切換。因此，如圖2（b）所示，Dahlin團隊證明了一種大面積的電子墨水開(kāi)關(guān)的實(shí)現方法。這種方法主要通過(guò)膠體小球自組裝制備了大面積的金屬電介質(zhì)金屬結構，通過(guò)法布里—珀羅干涉形成特定的顏色，產(chǎn)生反射式結構色。在這種微納結構的表面上通過(guò)電化學(xué)聚合的方式生長(cháng)一層聚吡咯，因此結構色的產(chǎn)生與關(guān)閉可以通過(guò)外加電場(chǎng)的方式來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)控制。
離子摻雜能改變石墨烯的費米能位置。雙層石墨烯之間夾電解液層的三明治結構在外加電壓的驅動(dòng)下，正負離子會(huì )發(fā)生反向運動(dòng)至石墨烯表面，改變石墨烯的能級，從而調諧整個(gè)器件的光學(xué)性能。在圖2（c）中，朱衛仁團隊用這種雙層石墨烯夾電解液層的三明治結構覆蓋高阻抗周期性金屬電路組成一個(gè)電控可調諧的超表面，并且在實(shí)驗上和數值仿真上證明了在3.41 GHz到4.55 GHz波段的、反射系數在?3 dB到?30 dB之間的調諧響應。鍺銻碲（GST）材料是另一種被廣泛使用的可調相變材料，Adibi小組展示了用電脈沖可連續調控GST的結晶比例，如圖2（d）所示，從而在1390~1640 nm范圍內通過(guò)調節電壓的大小實(shí)現準連續的光學(xué)響應。這為GST材料的應用提供了一種新的思路。微機電系統可以改變自身的形狀，當超材料本身設計為一種微機電系統，或者與微機電系統結合，改變單元的結構，從而引起最終超表面的響應變化，這也是一種電控可調響應的很好形式，但由于該方法最直接的調控機理是微機電系統引入的超表面形變，因此本文將微機電系統歸納為機械調諧，并將在2.4小節詳細介紹其調控機理。
熱調諧動(dòng)態(tài)超表面
將超表面與半導體、透明導電氧化物、相變材料等熱響應材料相結合，基于熱光效應、載流子變化和相變等機制，可實(shí)現熱調諧動(dòng)態(tài)超表面。以硅為代表的半導體，溫度改變會(huì )使其能帶發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的折射率，調節超表面的響應。Mohsen等人基于此將硅基超表面樣品從室溫加熱到300 ℃，實(shí)現了通信波段向前和向后的散射調制，產(chǎn)生0.1 nm/℃的共振峰位紅移。同時(shí)，硅基超表面具有CMOS工藝兼容的優(yōu)勢，在納米光子集成上有巨大的發(fā)展前景。Sun等人基于CMOS工藝加工制備了64 × 64的硅基納米光子相控陣，如圖3（a）所示，電路產(chǎn)生的焦耳熱，每8.5 mW可以完成π的相移，通過(guò)像素化的相位可調，實(shí)現了6°的光束偏轉和圖形化遠場(chǎng)輻射的功能。Teng等人基于PN結硅基超表面設計實(shí)現了可調的寬帶THz防反射器件。Khosro等人基于硅的熱光效應與閃加熱驅動(dòng)，制備了氧化銦錫（ITO）局部加熱的非晶硅孔的超表面，實(shí)現了偏置電壓<5 V、上升時(shí)間<625 μs、9倍透過(guò)率調制的超表面。除了硅以外，III-V族半導體如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）等也可以通過(guò)熱激發(fā)調控載流子，改變材料有效折射率。Iyer等人在重摻雜的InSb襯底制備本征InSb結構，溫度升高使得重摻雜襯底電子有效質(zhì)量增加，導致折射率變化，同時(shí)熱效應也導致本征InSb結構載流子濃度大幅提升，二者共同作用導致共振峰位移動(dòng)，如圖3（b）所示。
圖3 幾種不同材料的熱調諧動(dòng)態(tài)超表面方法。（a）電熱可調硅基納米光子相控陣示意圖；（b）基于重摻雜InSb襯底和InSb結構的熱可調反射率光譜；（c）基于VO?電熱可調超表面的（i）結構示意圖及（ii）共振峰位的移動(dòng)；（d）基于GST材料熱可調超表面（i）相變導致的反射譜調制及（ii）器件結構示意圖；（e）基于液晶熱可調超表面的（i）結構示意圖及（ii）不同溫度下透過(guò)率調制
另一類(lèi)熱調諧超表面是基于以二氧化釩（VO?）、鍺銻碲（GST）相變合金、液晶為代表的相變材料，溫度變化使得材料發(fā)生相變，進(jìn)而產(chǎn)生折射率調制，影響超表面的響應。其中VO?發(fā)生從金屬到絕緣體的相變，產(chǎn)生較大的折射率調制，且相變溫度較低（340 K），被廣泛的應用于熱可調超表面。Driscoll等人將金開(kāi)口諧振環(huán)（SRR）陣列制備于VO?薄膜上，通過(guò)溫度控制，實(shí)現了紅外光譜共振協(xié)調；通過(guò)電流的局域焦耳熱效應激發(fā)其相變，實(shí)現了太赫茲波段如圖3（c）所示的共振波長(cháng)的調制。Liu等人利用圖形化金- VO?-金三明治結構，通過(guò)電流熱效應使得兩個(gè)共振反射峰分別產(chǎn)生75%和55%的變化，其變化的遲滯效應可用來(lái)做電控可擦寫(xiě)存儲設備。除了VO?、GST相變合金可由溫度調制產(chǎn)生非晶態(tài)到晶態(tài)的變化，廣泛應用于可重寫(xiě)光盤(pán)，也可被應用于可重構超表面。Tittl等人將方形鋁納米結構堆疊在Ge?Sb?Te?（GST-326）間隔層和鋁鏡上，通過(guò)加熱使材料從非晶態(tài)（n=3.5）相變至晶態(tài)（n=6.5），GST強局域共振由于折射率的極大改變導致共振波長(cháng)紅移0.7 μm，同時(shí)保持很高的吸收；且在共振波長(cháng)下有60%的反射率調制，如圖3（d）所示。Mou等人基于GST材料實(shí)現了吸收峰位的調制，進(jìn)而擴大了工作帶寬。Yin等人將金納米天線(xiàn)與GST-326相結合，基于幾何相位，通過(guò)對兩種不同尺寸金納米棒的精細設計與空間排布，實(shí)現了光束偏轉和可調雙焦距透鏡的功能。羅先剛團隊基于GST材料實(shí)現了光子軌道角動(dòng)量耦合的多重態(tài)轉換，通過(guò)調整其晶體化程度，實(shí)現了對稱(chēng)、非對稱(chēng)和關(guān)閉的三種光子自旋角動(dòng)量相互作用。VO?與GST材料除了相變溫度的差異外，另一重要區別在于撤去外部激勵后，材料是否可保持相變后的狀態(tài)。對于VO?材料，溫度恢復至相變溫度以下，其恢復至初始態(tài)；而GST可保持晶態(tài)或非晶態(tài)。
液晶作為一種光學(xué)各向異性的相變材料，被廣泛應用于光電器件和傳感器中。對于液晶可調超表面，主要分為兩種機制。第一種與上述其他相變材料類(lèi)似，液晶和超表面作為一個(gè)整體，通過(guò)熱控液晶材料相變調制其折射率，從而影響超表面的功能。2015年，Sautter等人將液晶與硅納米盤(pán)陣列相結合，通過(guò)升溫誘導液晶從向列相變?yōu)楦飨蛲詰B(tài)，實(shí)現了如圖3（e）所示的40 nm共振峰位的移動(dòng)，且對1.64 μm的入射波產(chǎn)生84%的透過(guò)率調制。在此之后，Komar等人基于相位設計，通過(guò)加熱液晶超表面至60 ℃，實(shí)現了由室溫下光束直接透射到12°光束偏轉的功能?；谝壕И毺氐墓鈱W(xué)性質(zhì)，液晶可調超表面另外一種調控機制為液晶作為獨立的調控單元，通過(guò)調制以偏振為主的入射光狀態(tài)來(lái)調制超表面的功能，這種方式相比于改變液晶折射率可實(shí)現更大的調制范圍。Kim等人基于幾何相位和傳輸相位相結合的設計，圖形化硅納米結構，實(shí)現其對左右旋偏振光有不同的全息圖像。通過(guò)溫度改變初始取向與入射光偏振夾角45°的液晶的狀態(tài)，從而改變其相位延遲，實(shí)現特定溫度下左右旋入射光的切換，從而顯示不同的全息圖。熱調諧動(dòng)態(tài)超表面，通常具有較慢的響應速度，成為阻礙其發(fā)展的一大瓶頸。此外，無(wú)論是基于半導體還是相變材料的熱控超表面，其調制范圍受限，且較難實(shí)現可見(jiàn)光范圍的應用。
光調諧動(dòng)態(tài)超表面
光泵浦可以實(shí)現皮秒甚至飛秒量級更快的調制。2006年，Padilla等人報道了第一個(gè)光泵浦超表面調制器件，將銅SRR陣列制備在GaAs襯底上，在波長(cháng)800 nm超快激光的激發(fā)下，GaAs襯底電導率變化導致金屬SRR共振被抑制，從而產(chǎn)生太赫茲波段透過(guò)率的極強調制。此后，基于硅、III-V族半導體、透明導電氧化物（TCO）等材料的光激發(fā)載流子調控機制被廣泛應用于光可調超表面中。谷建強等人基于此機制實(shí)現了如圖4（a）所示的電磁誘導透明（EIT），將硅與鋁的SRR結構復合，通過(guò)紅外激發(fā)光誘導硅結構電導率的變化，使得SRR從開(kāi)環(huán)到閉環(huán)，產(chǎn)生有效折射率的極大調制，在0.74 THz下實(shí)現了42%的透過(guò)率變化。Shcherbakov等人利用如圖4（b）所示的GaAs襯底上的SiOx/GaAs/AlGaO納米柱結構，在低于400 μJ/cm2的泵浦光激發(fā)下，實(shí)現了皮秒量級快速響應的35%的反射調制和30 nm的共振峰位移動(dòng)。叢龍慶等人基于硅和鋁的SRR復合結構，實(shí)現了全光控太赫茲波段的偏振調制和動(dòng)態(tài)光束偏轉的功能。除了半導體材料，TCO也是在近紅外至中紅外波段常用的光可調超表面材料。Guo等人用氧化銦錫（ITO）納米棒陣列在小于7 mJ/cm2的激發(fā)光強下實(shí)現了近紅外和中紅外波段的超快透過(guò)率調制和共振峰位移動(dòng)，響應時(shí)間在亞皮秒量級，其機制為在光泵浦作用下電子分布的變化。Yang等人用高遷移率的銦摻雜氧化鉻（CdO:In）基于如圖4（c）所示結構實(shí)現800 fs超快響應的85%的反射率變化。
圖4 幾種不同材料的光調諧動(dòng)態(tài)超表面方法。（a）基于硅和鋁SRR結構的光控太赫茲波調制示意圖；（b）基于Ⅲ-Ⅴ族半導體的超快光泵浦反射調制示意圖；（c）基于CdO:In的光控超快反射率調制器件結構示意圖；（d）基于VO?的太赫茲波激發(fā)超表面透過(guò)率光譜調制及結構示意圖；（e）飛秒激光直寫(xiě)可擦除超表面器件結構示意圖；（f）基于偶氮乙基紅光可調超表面的偏振調制示意圖
另一種光調諧超表面基于光熱效應與材料相變，與基于相變材料的熱可調超表面類(lèi)似，高能激光的光熱效應誘導材料局部升溫，產(chǎn)生相變，其折射率的變化調制超表面功能。Liu等人將金SRR結構在VO?表面圖形化，泵浦太赫茲波激發(fā)局域電場(chǎng)從0.3 MV/cm增強至3.3 MV/cm，透過(guò)率在0.42 THz下改變13%，如圖4（d）所示，其機制為Poole–Frenkel效應導致載流子密度提升，在電場(chǎng)作用下加速運動(dòng)導致電子-晶格耦合產(chǎn)生焦耳熱，誘導VO?發(fā)生相變，此過(guò)程在皮秒量級完成。Wang等人基于GST材料制備如圖4（e）所示的可擦寫(xiě)超材料器件，利用飛秒激光直寫(xiě)使得局域發(fā)生像素化可重構相變，通過(guò)對GST的圖形化設計，制備了可見(jiàn)波段雙色多焦點(diǎn)的菲涅爾波帶片、具有亞波長(cháng)焦距的超振蕩透鏡、灰度全息、介電超材料器件，實(shí)現了多種功能。隨后，德國Taubner教授團隊利用GST相變材料實(shí)現了對表面聲子-激子的動(dòng)態(tài)調控。除了VO?和GST材料，液晶也可通過(guò)激光熱效應來(lái)產(chǎn)生相變。Sharma等人基于扭曲向列相液晶（TNLC）的旋光性，利用近紅外飛秒激光的光熱效應使其由向列相變?yōu)楦黜椡詰B(tài)，失去旋光功能，從而改變入射至超表面的光的偏振方向，實(shí)現了圖案可調顏色的功能。此外，一些光敏感分子可在光激發(fā)下發(fā)生順?lè )串悩嬣D變，也可用于光可調超表面。Ren等人基于偶氮乙基構建如圖4（f）所示的器件結構，利用光激發(fā)下偶氮分子從反式異構到順式的轉變，從而改變等離激元耦合模式，實(shí)現了對入射光的偏振調制。值得一提的是，光熱效應激發(fā)的材料形變也會(huì )使超表面結構分布產(chǎn)生變化，調制超表面響應。Liu等人基于液晶彈性體（LCE）的光機械效應，實(shí)現了230 nm的超大吸收譜峰位移動(dòng)。
機械調諧動(dòng)態(tài)超表面
機械調控是通過(guò)機械力作為外部激勵改變超表面中超原子的幾何形狀和相鄰原子間距來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調控，主要有微機電系統（MEMS）以及柔性襯底兩種思路。MEMS，也稱(chēng)為微機電系統，是一種在微米或納米尺度上的機械系統，其機械結構在外部激勵下會(huì )發(fā)生變化。圖5（a）展示了加載MEMS的可調超表面，能實(shí)現不同的相位響應。它的調控原理是：通過(guò)在MEMS上施加不同的電壓，來(lái)改變懸臂的角度，可以獲得不同的相位響應。Cong等人使用此設計，通過(guò)控制各柱的偏壓，實(shí)現了入射波的動(dòng)態(tài)偏振操縱和太赫茲波段的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息。圖5（b）顯示了加載在超表面上的MEMS如何執行可重新配置的功能。當電壓施加在MEMS上時(shí)，電極之間的靜電力可以拉起部分光柵，改變整個(gè)光柵的形狀和周期，并改變超表面的電磁響應。Shimura等人設計了這種超表面來(lái)實(shí)現可見(jiàn)光波段的雙折射。
圖5 幾種不同材料的機械調諧動(dòng)態(tài)超表面方法。（a）實(shí)現動(dòng)態(tài)偏振控制和全息術(shù)的可重構超表面的（i）結構示意圖、（ii）不同懸臂角度下的模擬振幅、（iii）不同懸臂角度下的輻射相譜；（b） 可見(jiàn)光波段雙折射超表面系統的（i）器件結構示意圖和（ii）不同電壓下器件在633 nm波長(cháng)下對TM波和TE波的延遲和透射率調制；（c） 基于柔性襯底的可重構光學(xué)超表面全息（i）器件示意圖（ii）未拉伸狀態(tài)下的光學(xué)全息圖（ii）拉伸狀態(tài)下的光學(xué)全息圖
而通過(guò)柔性襯底來(lái)實(shí)現可調超表面的早期工作，是通過(guò)將超原子陣列轉移到柔性基板上，拉伸襯底導致超表面的超原子結構和晶格的變化。Ee等人將金棒狀天線(xiàn)制備在一個(gè)PDMS基底上，在基底被拉伸過(guò)程中，超構原子晶格及相鄰原子間距被改變，使得原子間的近場(chǎng)相互作用發(fā)生變化，從而使整個(gè)器件的電磁響應發(fā)生變化，實(shí)現了一個(gè)受拉力控制的變焦透鏡。圖5（c）展示了在可拉伸的PDMS襯底上用金納米棒制作的機械可重構光學(xué)全息超表面，其具有多達三個(gè)在可見(jiàn)光范圍內操作的圖像平面。拉伸襯底放大了全息圖像并改變了圖像平面的位置，因此在拉伸時(shí)，可以切換不同的顯示全息圖像。
化學(xué)調諧動(dòng)態(tài)超表面
化學(xué)調諧是通過(guò)化學(xué)的手段使構成超構原子的材料發(fā)生化學(xué)成分改變或者超構原子周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)性質(zhì)改變，材料化學(xué)性質(zhì)的改變會(huì )造成折射率或者偏振等材料光學(xué)物理參量的變化，因此整個(gè)器件的電磁響應也會(huì )被改變，然后再通過(guò)可逆的轉化，從而達到對超構表面光學(xué)器件進(jìn)行可逆重構調控?；瘜W(xué)調諧動(dòng)態(tài)超表面實(shí)現路徑主要有兩條，第一種是使用Mg、Si等材料作為超構原子，通過(guò)可逆化學(xué)反應使得超構原子的構成材料發(fā)生變化，進(jìn)而整個(gè)器件的電磁響應也會(huì )被改變。圖6（a）展示了一種在可見(jiàn)光頻率下工作的鎂（Mg）基的化學(xué)活性超表面。使用可尋址Mg納米棒，在加氫時(shí)氫化成MgH?，加氧時(shí)脫氫成Mg，使納米棒的等離子體響應發(fā)生改變，從而實(shí)現動(dòng)態(tài)像素變化。這種動(dòng)態(tài)調諧超表面可以實(shí)現全息圖、光學(xué)信息加密、光束調制等多種功能。Duan等人通過(guò)對Mg納米棒的加氫脫氫反應，提出了一種基于鎂超表面的動(dòng)態(tài)等離激元調控顯示技術(shù)，實(shí)現了動(dòng)態(tài)顏色擦除和恢復。Yu等人使用Mg納米磚制作超表面，實(shí)現了兩個(gè)不同全息圖案之間的切換。Nagasaki等人通過(guò)將Si氧化為低折射率的SiO?，展示了一種實(shí)現信息加密的“隱形墨水”的結構色應用。
圖6 幾種不同材料的化學(xué)調諧動(dòng)態(tài)超表面方法。（a）基于Mg納米磚的可重構全息超表面的（i）動(dòng)態(tài)調制機理及（ii）加氫脫氫反應后顯示的不同全息圖像；（b）基于液晶的光學(xué)全息超表面用于揮發(fā)性氣體檢測（i）左旋和右旋圓偏振光分別入射后的圖案及（ii）揮發(fā)性氣體改變液晶分子取向示意圖
第二種實(shí)現化學(xué)調諧動(dòng)態(tài)超表面的思路是通過(guò)改變超構原子周?chē)橘|(zhì)的性質(zhì)，進(jìn)而引起整個(gè)器件的電磁響應改變。圖6（b）展示了一種液晶與全息超表面結合的氣體傳感器，可以自主感應揮發(fā)性氣體的存在并提供即時(shí)的視覺(jué)全息警報。該工作中實(shí)現超表面動(dòng)態(tài)調控的原理是利用液晶和氫化非晶硅組成超表面，當出現揮發(fā)性氣體時(shí)，氣體分子會(huì )擾動(dòng)液晶的分子有序性，導致液晶從向列相向各向同性態(tài)轉變，液晶層轉換透射光偏振功能發(fā)生改變，即入射的右旋圓偏振光（RCP）轉變成左旋圓偏振光（LCP），并且RCP和LCP入射到設計好的超表面后會(huì )出現不同的全息圖像，因此不同圓偏光的入射切換就可以實(shí)現即時(shí)的視覺(jué)全息警報。
動(dòng)態(tài)可調諧超表面的應用
動(dòng)態(tài)成像應用
經(jīng)典的透鏡成像主要是通過(guò)調控波前的相位，使光束實(shí)現偏折形成的。其中波前的調控主要通過(guò)玻璃或者塑料透鏡的厚薄產(chǎn)生的光程差進(jìn)行操控。因此實(shí)現一個(gè)周期內的相位需要厚度差比較大的結構完成。超表面通過(guò)拓展經(jīng)典Snell定律，在亞波長(cháng)到波長(cháng)尺寸的厚度范圍內即可實(shí)現一個(gè)周期內的相位變化，因此提供了一種小型化成像的很好的雛形。
可調的焦距無(wú)疑給成像增加了更多的通道。因此這部分內容主要討論在可調材料基礎上實(shí)現可調超表面的成像，主要表現為焦距的變化。如圖7（a）所示，胡躍強課題組提出一種集成液晶與介質(zhì)超表面的方法。通過(guò)設計超表面的結構，使其具有線(xiàn)性偏振依賴(lài)的焦距變化，然后通過(guò)疊加向列相液晶，外加電壓控制液晶取向的方向進(jìn)而選擇不同的偏振方向，最終實(shí)現成像的焦距可調性質(zhì)。圖7（b）中，Zheludev課題組通過(guò)微流控的方式改變超結構中的金屬與介質(zhì)材料的比例，最終實(shí)現焦距的可調諧變化。圖7（c）中主要是通過(guò)光控機械變化實(shí)現微結構的面外彎曲，且在紅外波段證明了硅材料在不同強度的激光照射下的連續形變引起的連續焦距調諧。圖7（d）通過(guò)使用硫系相變材料Ge?Sb?Se?Te?刻蝕制備成為微納結構，證明了其在無(wú)定形態(tài)和晶態(tài)時(shí)不同的焦距狀態(tài)。圖7（e）中，Faraon團隊通過(guò)設計兩個(gè)微結構陣列，并操縱微機電系統改變兩個(gè)結構之間的距離，從而得到一個(gè)大范圍及大視野（40°）的可調透鏡，并將其應用于三維成像中。圖7（f）中，將金屬微納結構放置在軟性基底（PDMS）上，通過(guò)受力拉伸基底改變結構的周期，進(jìn)而實(shí)現拉伸可調的焦距成像。
圖7 幾種典型的可調諧動(dòng)態(tài)超構透鏡成像應用。（a）集成液晶材料實(shí)現超透鏡的可調焦距成像；（b）微流控液態(tài)金屬改變材料的金屬與介質(zhì)比例實(shí)現可調的焦距成像；（c）光控微結構薄膜的形變實(shí)現的可調焦距成像；（d）相變材料的多晶態(tài)與晶態(tài)切換實(shí)現的可調焦距成像；（e）微機電系統控制的雙超表面間隙實(shí)現的可調焦距三維成像；（f）PDMS基底拉伸改變超表面尺寸實(shí)現的可調焦距成像
動(dòng)態(tài)顯示應用
全息術(shù)（Holography）不僅限于記錄光的強度信息，還可以捕捉光場(chǎng)中的復雜相位信息，從而為精確重建原始光場(chǎng)提供更全面的數據支持。計算全息（CGH）的發(fā)明為全息顯示獲取目標相位提供了便利，使用空間光調制器或者數字微鏡器件可以實(shí)現動(dòng)態(tài)的全息顯示。然而，受限于設備的像素尺寸和占空比等因素，這種方式的全息顯示存在視場(chǎng)角小、衍射效率低、孿生像等缺點(diǎn)。隨著(zhù)微納加工技術(shù)的進(jìn)步，超表面為光學(xué)全息記錄和重建提供了極好的解決方案。靜態(tài)超表面在相位調制、振幅調制、復振幅調制、非線(xiàn)性調制方面已經(jīng)展現出了優(yōu)越的性能，然而，大多數超表面一經(jīng)制造就無(wú)法調整結構，無(wú)法實(shí)現動(dòng)態(tài)顯示。盡管通過(guò)多路復用超表面可以記錄多通道光場(chǎng)信息并且通道信息獨立顯示，但是仍然缺乏主動(dòng)調控的功能。因此，開(kāi)發(fā)有源材料來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)全息顯示顯得尤為重要。近年來(lái)，通過(guò)利用電光效應、自由載流子效應、相變材料、機械拉伸材料、化學(xué)反應等方法，超表面全息實(shí)現了各種主動(dòng)調控，并展現出了獨特的優(yōu)勢。
得益于與傳統的電氣設備兼容，電可調的超表面被認為是實(shí)現交互式全息顯示最具有前途的方式之一。Cui等人將二極管摻入超表面的晶胞中，可以通過(guò)在二極管上施加不同的偏執電壓來(lái)控制每個(gè)晶胞的散射狀態(tài)。通過(guò)改進(jìn)的CGH算法計算的相位曲線(xiàn)改變每個(gè)單元的二進(jìn)制可切換狀態(tài)，如圖8（a）所示，可編程全息圖能夠以數十納秒的快速重新配置時(shí)間再現。液晶具有雙折射特性，并且改變電壓可以實(shí)現偏轉，因此可以用于調諧超表面全息。Liu等人展示了一種通過(guò)可見(jiàn)光頻率下的幾何和傳播相位定制其空間頻率來(lái)實(shí)現主動(dòng)調控超表面全息的方法。每個(gè)超表面像素都包含排列在矩形晶格中的金納米棒。在一些預選（奇數或偶數）列中，納米棒被介電材料覆蓋。通過(guò)毫秒時(shí)間尺度上的電壓信號控制液晶分子偏轉來(lái)改變相鄰奇數列和偶數列之間的相對相位，從而實(shí)現全息圖的動(dòng)態(tài)調控，如圖8（b）所示，在不同電壓下全息圖中的人物有站立和行走兩種姿態(tài)。相變材料在不同的溫度下對應有不同的光學(xué)特性，例如碲化鍺銻（GST）和二氧化釩 （VO?）。Liu等人提出了一種使用二氧化釩集成超表面的熱調控動(dòng)態(tài)元全息設計。在外部加熱下，當溫度從25 ℃升高到100 ℃時(shí)，重建的圖像從“H”變?yōu)椤癎”，如圖8（d）所示。機械可調的全息超表面通過(guò)拉伸改變晶胞周期，具有簡(jiǎn)單的結構。Malek等人提出了一種圓柱形二氧化鈦（TiO?）陣列嵌入彈性聚二甲基硅氧烷（PDMS）襯底的機械可調超表面諧振器，以實(shí)現光學(xué)響應的調制，并構建了一個(gè)具有兩個(gè)圖像平面的多平面全息圖，每個(gè)圖像平面中具有不同的全息圖像，如圖8（c）所示。在其未拉伸的形式中，全息圖像“ONE”出現在位于z = 200 μm的圖像平面中。當超表面被拉伸1.24倍時(shí)，圖像平面沿z方向進(jìn)一步移動(dòng)，全息圖像“TWO”出現在相同的圖像平面上。
圖8 幾種典型的可調諧動(dòng)態(tài)顯示應用。（a）電調控可編程超表面全息原理圖，每個(gè)單元都有一個(gè)二極管焊接在兩個(gè)金屬環(huán)之間，并由直流電壓獨立控制；（b）液晶超表面可切換全息圖，不同施加電壓下在遠場(chǎng)捕獲的全息圖像；（c）可拉伸基板上的超表面全息示意圖，當基板被拉伸時(shí)，全息影像會(huì )被切換并被放大；（d）使用二氧化釩超表面的熱依賴(lài)性動(dòng)態(tài)元全息示意圖；（e）基于聚合物分散液晶的超表面結構色的光學(xué)加密技術(shù)；（f）動(dòng)態(tài)雙功能超表面的工作原理
超表面結構色的動(dòng)態(tài)顯示有著(zhù)巨大的應用前景。結構色在自然界和日常生活中無(wú)處不在，如甲蟲(chóng)、孔雀、蜂鳥(niǎo)、蝴蝶等。與化學(xué)染料的不同的是，結構色是光與諧振單元之間干涉、衍射或散射而產(chǎn)生的結構性顏色。所觀(guān)察到的顏色由諧振單元的物理尺寸和形狀決定。結構色與其他超表面應用一樣，超表面結構一經(jīng)制造，其光譜信息就無(wú)法修改，難以實(shí)現動(dòng)態(tài)顯示。然而，使用相變材料、電壓調控或者熱控可以調諧超表面結構色。最近，Liu等人提出了一種基于聚合物分散液晶（PDLC）結合鋁納米孔超表面的結構色加密方案。如圖8（e）所示，鋁納米孔超表面由矩形和方形孔組成，不對稱(chēng)和對稱(chēng)納米孔徑分別表現出偏振敏感和偏振不敏感的等離激元共振特性。這可以通過(guò)設計的非對稱(chēng)和對稱(chēng)納米孔徑的排列來(lái)加密光學(xué)圖像。通過(guò)集成PDLC實(shí)現了額外程度的信息加密，無(wú)論入射偏振如何，都可以隱藏信息。Xiao等人通過(guò)利用破壞性干涉和共振對環(huán)境折射率的依賴(lài)性，提出并展示了一種選擇性控制多路復用彩色圖像的超表面全息圖的新方法，如圖8（f）所示。在明場(chǎng)顯微鏡下，它是由樹(shù)木、太陽(yáng)等組成的“宇宙中的地球”圖案。當樣品在空氣中的紅色激光和綠色激光的照射下時(shí)，顯示的圖像是“月下有花蕾的花仙子”，隨著(zhù)二甲基亞砜（DMSO）的滲透，切換到了“月下盛開(kāi)的蘭花周?chē)膬芍缓薄?/p>
動(dòng)態(tài)光束整形應用
光束控制在激光雷達、光通信、激光加工和3D打印等方面有著(zhù)重要的作用。傳統的光束控制手段主要依賴(lài)于機械手段或者液晶，比如電動(dòng)旋轉平臺、數字微鏡（DMD）和空間光調制器（SLM），但是這些調控方式存在響應時(shí)間長(cháng)、多衍射級次、難集成、成本高等問(wèn)題。得益于亞波長(cháng)尺寸的結構，超表面有望解決這些問(wèn)題。Huang等人報告了一個(gè)由石英基板、金背板氧化鋁薄膜和氧化銦錫層組成的超表面，如圖9（a）所示。在金電極上施加偏置電壓時(shí)，導致在氧化鋁薄膜附近形成的載流子濃度變化，從而調制導電氧化物的復折射率。通過(guò)施加2.5 V柵極偏置測量184°的相移和~30%的反射率變化。研究還展示了高達10 MHz的調制速度和一階衍射光束的波束控制。進(jìn)一步，如圖9（b）所示，Park等人在每個(gè)單元中使用兩個(gè)電極控制超表面，實(shí)現了獨立控制反射光的相位和幅值。當施加的電壓發(fā)生變化時(shí)，相位將經(jīng)歷完全的360°變化，而反射率保持不變。每個(gè)電極都可以進(jìn)行獨立尋址，他們演示了在LiDAR系統中使用有源超表面作為固態(tài)掃描儀來(lái)生成3D距離圖（如圖9（c）所示）。
圖9 幾種典型的可調諧動(dòng)態(tài)光束整形應用。（a）柵極可調超表面示意圖，該結構由石英基板、金背板和覆蓋有氧化鋁膜和金條狀天線(xiàn)的薄ITO膜組成，在條狀天線(xiàn)和底部金之間施加電壓，導致在靠近氧化鋁處的透明氧化物處形成電荷積累；（b）電可調通道組成的有源超表面陣列示意圖，每個(gè)通道由11個(gè)可單獨尋址的等離激元納米諧振器組成，右上方的入射光束從超表面陣列反射，Vt和Vb分別調節上下閘門(mén)控制轉向光束的方向；（c）使用超表面SLM生成的3D深度圖像；（d）液晶控制的光束切換超表面工作原理圖，左邊是各向同性態(tài)，右邊是向列相態(tài)；（e）使用微機電系統-超表面進(jìn)行二維波前整形在驅動(dòng)前、反射、聚焦三種驅動(dòng)情況下微機電系統-超表面的鏡面狀光反射示意圖；（f）相變超表面光束偏轉實(shí)驗結果，以及相變超表面的SEM圖
Komar等人將液晶與超表面結合，如圖9（d）所示，通過(guò)加熱控制液晶的空間變化，硅納米盤(pán)陣列實(shí)現兩個(gè)衍射階次的衍射效率改變。在實(shí)驗中，他們通過(guò)加熱樣品到液晶的清亮點(diǎn)，將輸入光束偏轉了12°，效率為50%。最直接的調制方式是機械方法，微機電系統（MEMS）上的超表面能夠控制光束轉向。Bozhevolnyi等人通過(guò)驅動(dòng)MEMS反射鏡，提供反射光的可控相位和幅度調制。如圖9（e）所示，用于動(dòng)態(tài)偏振無(wú)關(guān)的光束控制和反射式2D聚焦時(shí)，兩者都表現出高效（~50%）、寬帶（工作波長(cháng)附近~20%接近800 nm）和快速（<0.4 ms）。此外，通過(guò)改變層間厚度，實(shí)現在多個(gè)衍射級次之間切換，以實(shí)現準連續光束控制。在800 nm波長(cháng)的正常入射光下，在三個(gè)衍射階數之間獨立于偏振的動(dòng)態(tài)光束控制，實(shí)現了在玻璃中的0°、5.2°和10.5°的反射角。相變材料隨材料相變，其介電特性會(huì )發(fā)生很大的變化，因此可逆相變的光學(xué)材料也常常用于光束控制。Yin等人報告了一種基于GST相變材料的光束動(dòng)態(tài)調控應用，如圖9（f）所示，GST納米棒在非晶態(tài)和晶態(tài)時(shí)展現出不同的共振峰位。接著(zhù)，基于幾何相位的原理編碼各向異性的GST納米棒，當圓偏光正入射非晶態(tài)GST超表面后，與入射偏振正交的出射光以+13°的角度出射，而正入射晶態(tài)GST超表面，其出射光以?13°的角度出射，通過(guò)改變GST材料的晶態(tài)可以實(shí)現光束的動(dòng)態(tài)偏轉。
結論與展望
超表面作為平面器件，很大程度地避免了超材料在制備和材料損耗方面的困境。得益于微納加工技術(shù)的發(fā)展，人們可以實(shí)現更為嚴苛的尺寸制備，這為超表面的發(fā)展和應用提供了強大的動(dòng)力。如今，超表面在顯示、全息技術(shù)、光束偏轉、結構色以及其他平面光學(xué)應用領(lǐng)域已經(jīng)取得了極大的進(jìn)展，器件化和產(chǎn)業(yè)化趨勢日益增長(cháng)。然而，大多數光學(xué)超表面缺乏動(dòng)態(tài)調控，限制了其應用范圍。目前常用的調控手段包括溫度調控、電調控、光調控、機械調控、化學(xué)調控等。但是沒(méi)有完美的調控手段和可調材料，所有的調控手段和可調材料都會(huì )受到環(huán)境因素、應用場(chǎng)景以及材料本身的其他性質(zhì)所制約。表1總結了一些代表性的超表面動(dòng)態(tài)調控工作，基于微機電系統方法的機械調控，其調控范圍小、結構系統復雜，但是易于集成和精準控制；基于柔性襯底彈性形變的調控，具有使用壽命短和不易與其他系統集成以及施加機械力的設備龐大等劣勢，但是其調控響應范圍大，且易于制作和調控；溫度調控的機制對于溫度敏感的材料而言，在特殊場(chǎng)景下具有特有的調控優(yōu)勢，但是對于溫度要求嚴格的應用場(chǎng)景便不太適用；而電調諧是目前最容易與現有技術(shù)集成，同時(shí)具備響應時(shí)間快、響應范圍廣、對使用環(huán)境沒(méi)有特殊要求等特性的動(dòng)態(tài)調控手段之一，但是其亞波長(cháng)尺寸結構的驅動(dòng)仍面臨挑戰；化學(xué)調控方法作為超表面動(dòng)態(tài)調控方法的其中之一，在特定場(chǎng)景的防偽以及動(dòng)畫(huà)顯示具有一定的意義，但是超表面在不斷的化學(xué)轉化過(guò)程中會(huì )出現結構破壞等問(wèn)題，使用壽命和響應時(shí)間是目前該方法的主要突出問(wèn)題。
電調諧超表面使用二維材料作為超表面的一部分，利用其優(yōu)異光電特性可能是一個(gè)解決挑戰的突破口；液晶材料由于其成熟的工藝和生產(chǎn)技術(shù)，并且具有調控范圍大、工作帶寬廣、生物兼容性好、調控手段多樣等特性對于超表面動(dòng)態(tài)調控的多功能化和產(chǎn)業(yè)化有推動(dòng)作用；另外，還可以采用納米尺度的金屬線(xiàn)材或導電高分子作為電極材料，利用微納加工技術(shù)制備高精度的電極結構，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化器件設計降低驅動(dòng)電壓，減小功耗。熱調諧超表面的快速響應需要設計和開(kāi)發(fā)具有高熱導率和低比熱容的材料。熱電材料或熱敏材料可以作為超表面的結構材料，通過(guò)優(yōu)化熱傳導路徑，提高其熱傳輸效率。光調諧動(dòng)態(tài)超表面由于其非接觸式的調控手段，有望在未來(lái)的實(shí)際應用中大放異彩，但是對于寬譜且低閾值響應的光控材料開(kāi)發(fā)和研究是關(guān)鍵?？衫梅蔷€(xiàn)性光學(xué)效應，如光致變色材料或二維材料實(shí)現光調諧超表面?；贛EMS的高精度機械調控是未來(lái)精密調控的主要手段之一，但是目前對于MEMS材料的抗疲勞性及其結構穩定性是需要進(jìn)一步探索的。壓電材料或形狀記憶合金等材料有望可以用于超表面的制備，以提高其機械動(dòng)態(tài)調控的穩定性和結構魯棒性。對于化學(xué)調控的動(dòng)態(tài)超表面而言，化學(xué)反應的速率和精確可控性是需要平衡的，可以利用化學(xué)吸附/脫附等過(guò)程實(shí)現對表面性質(zhì)的可控調控?？傊?，動(dòng)態(tài)可調諧超表面器件正朝著(zhù)響應速度快、可調機制友好、材料易于集成、多功能化等目標邁進(jìn)。
