曹 暾，劉 寬，李 陽,，廉 盟，胡子賢，劉 萱，李貴新*

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

1 引 言

光學(xué)超構(gòu)材料是通過對(duì)天然材料進(jìn)行加工，在其表面或內(nèi)部形成周期性排列的亞波長結(jié)構(gòu)陣列來獲得的，擁有天然材料所不具備的特殊光學(xué)性質(zhì)。有別于天然材料的“組分決定性質(zhì)”，光學(xué)超構(gòu)材料的“超?！惫鈱W(xué)性質(zhì)是由材料先天的本征性質(zhì)和后天人工設(shè)計(jì)的亞波長結(jié)構(gòu)所共同決定的。1996年，英國科學(xué)家Sir John Pendry 提出使用周期性排列的金屬絲能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)[1]。隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超構(gòu)材料作為一類新型的功能材料受到了越來越多的關(guān)注。借鑒超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)思想，人們可以在不違背基本物理學(xué)規(guī)律的前提下，通過設(shè)計(jì)物理結(jié)構(gòu)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(zhì)的“新材料”，把功能材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)帶入一個(gè)嶄新的天地。早期的被動(dòng)光學(xué)超構(gòu)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(duì)光波的傳播特性進(jìn)行靈活地調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了許多有趣的光學(xué)功能，例如：完美透鏡[2-3]、隱形斗篷[4-7]等。然而，被動(dòng)光學(xué)超構(gòu)材料的材料特性和幾何結(jié)構(gòu)固定，其光學(xué)功能難以改變，其光學(xué)性能不可調(diào)諧。

隨著可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料領(lǐng)域的不斷發(fā)展，光學(xué)超構(gòu)材料研究逐漸進(jìn)入了新的階段[8]。目前，可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料主要分為兩大類。一類是基于活性材料的光學(xué)超構(gòu)材料，將活性材料作為光學(xué)超構(gòu)材料的功能單元或周圍環(huán)境介質(zhì)的一部分，利用活性材料的光學(xué)參數(shù)可以隨著熱、電、光、磁等外部刺激的改變而變化的特性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(dǎo)體、液晶等。另一類是基于結(jié)構(gòu)重構(gòu)的可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)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(gè)系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)發(fā)生相應(yīng)的變化。典型的結(jié)構(gòu)重構(gòu)方法有采用柔性可拉伸材料、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等。無論何種可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料，其調(diào)制速度、調(diào)制深度、循環(huán)穩(wěn)定性、可逆性和過程復(fù)雜性都是衡量超構(gòu)材料物理調(diào)控特性的關(guān)鍵因素。

本文系統(tǒng)介紹了可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料的最新研究進(jìn)展，主要包括基于活性材料型和結(jié)構(gòu)重構(gòu)型的可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料，重點(diǎn)討論了活性材料型光學(xué)超構(gòu)材料的調(diào)諧機(jī)理、結(jié)構(gòu)重構(gòu)型光學(xué)超構(gòu)材料的驅(qū)動(dòng)和制造方法。最后，總結(jié)了當(dāng)前可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料的優(yōu)缺點(diǎn)及其發(fā)展所面臨的問題，并展望了未來可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料的發(fā)展方向。

2 可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料的定義及功能

可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料是一種光學(xué)性能主動(dòng)實(shí)時(shí)可控的超構(gòu)材料，其中光學(xué)性能主要包括光波的偏振、振幅、頻率及相位等參量[11]。超構(gòu)材料的作用環(huán)境主要包含結(jié)構(gòu)層和周圍環(huán)境，因此可通過改變超構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、用材種類、所處周圍環(huán)境等條件來實(shí)現(xiàn)光學(xué)性能的可調(diào)[12]。值得注意的是，每種條件的改變均會(huì)對(duì)超構(gòu)材料的光學(xué)性能產(chǎn)生影響，因此需要綜合考慮各種條件，才能設(shè)計(jì)出具有特定光學(xué)性能可調(diào)諧的光學(xué)超構(gòu)材料[13]。

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，近年來涌現(xiàn)出許多對(duì)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(lì)下，這些活性材料的狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化并表現(xiàn)出不同的光學(xué)參數(shù)，可用于構(gòu)建可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料[14]。此外，從改變超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的角度，人們利用柔性可拉伸材料、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等手段來調(diào)控超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，以構(gòu)成結(jié)構(gòu)重構(gòu)型可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料[15]。無論是基于活性材料還是結(jié)構(gòu)重構(gòu)型的可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料，都在光波的偏振、振幅、頻率及相位調(diào)控等方面展現(xiàn)出了出色的能力，實(shí)現(xiàn)了多種可調(diào)諧的超構(gòu)材料光學(xué)功能器件，如偏振片[16]、吸波器[17]、超構(gòu)透鏡[18]以及全息[19]等。

3 基于活性材料的可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料

活性材料是一類光學(xué)性能可主動(dòng)調(diào)控的材料，其在外加場的調(diào)控下能在不同狀態(tài)間切換并展現(xiàn)出不同的光學(xué)參數(shù)，可被用作光學(xué)超構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)層、介質(zhì)層或周圍環(huán)境介質(zhì)，來實(shí)現(xiàn)超構(gòu)材料光學(xué)性能的調(diào)控。根據(jù)活性材料所需的外加驅(qū)動(dòng)場種類，可以將其分為熱驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、光驅(qū)動(dòng)以及磁驅(qū)動(dòng)等可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料。

3.1 熱驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)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(jìn)而導(dǎo)致其光學(xué)參數(shù)改變，利用熱敏材料的這一特性可制得熱驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧的光學(xué)超構(gòu)材料。二氧化釩（VO2）作為典型的熱敏材料，在68℃下會(huì)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(gòu)表面調(diào)節(jié)方法主要有直接加熱（加熱臺(tái)）、電加熱和光刺激（激光加熱），但其調(diào)制速度在一定程度上受到其調(diào)制機(jī)制本身的限制[20]。熱驅(qū)動(dòng)VO2超構(gòu)表面在太赫茲（THz）、紅外及可見光波段都展現(xiàn)出一定的振幅調(diào)制功能[21-22]。在THz 波段，Min Zhong等人基于VO2研制了一種可調(diào)諧的吸收器，其吸收峰數(shù)量和吸收頻率均會(huì)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(xué)參數(shù)差異較大，F(xiàn)ederico Capasso 等人在該波段利用VO2實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的完美吸波器，其調(diào)制深度高達(dá)80%[24]。在可見光波段，Mu Wang 等人通過在VO2介質(zhì)層上排列周期性的銀納米柱陣列，構(gòu)成了一種反射式可調(diào)諧的光學(xué)超構(gòu)表面。當(dāng)溫度升高時(shí)，VO2由絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變到金屬態(tài)，其光學(xué)參數(shù)將發(fā)生變化并影響局部表面等離子體共振，進(jìn)而導(dǎo)致反射光譜發(fā)生變化，光學(xué)超構(gòu)表面呈現(xiàn)出由綠色到黃色的變色效果（圖1(b)）[25]。

圖1 VO2基熱驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料。(a)THz波段可調(diào)諧吸收器示意圖（左）及其實(shí)驗(yàn)測得的溫控吸收譜線（右）[23]。(b)可見光波段反射式可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)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(diào)諧光學(xué)超構(gòu)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(gòu)材料的相位調(diào)控與電壓的關(guān)系譜線（右）[20]。(d)THz 波段溫控動(dòng)態(tài)全息超構(gòu)表面及其在25℃和100℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)（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(xué)超構(gòu)表面相位調(diào)制技術(shù)也取得了較好的進(jìn)展。圖1(c)顯示了集成VO2介質(zhì)層的反射式超構(gòu)表面，該超構(gòu)表面具有強(qiáng)的磁共振，VO2層的磁場強(qiáng)度得到很大的增強(qiáng)。在該設(shè)計(jì)中，電致焦耳熱使得VO2薄膜的光學(xué)參量發(fā)生變化，從而導(dǎo)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(diào)節(jié)VO2薄膜中絕緣態(tài)和金屬態(tài)的體積分?jǐn)?shù)，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)250°的相位移動(dòng)，調(diào)制速度達(dá)到毫秒級(jí)[20]。此外，Weili Zhang等人利用VO2材料在THz波段實(shí)現(xiàn)了溫控動(dòng)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(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料也被用于實(shí)現(xiàn)光束的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)[26]。

相變化合物作為典型的熱敏材料也被廣泛應(yīng)用于可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料中，此類材料在脈沖熱激勵(lì)下可以實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)和晶態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)變，且這兩種狀態(tài)之間具有較大的光學(xué)性質(zhì)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(diào)控方法，但其晶態(tài)到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變過程是相變材料經(jīng)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(jí)的區(qū)域面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)[30]。相變材料苛刻的相變條件限制了它在可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料中的廣泛應(yīng)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(diǎn)，這使得基于相變材料的超構(gòu)表面具有更高的穩(wěn)定性和實(shí)用性[31]。2013年，Tun Cao等人首次將相變材料引入到超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出一種基于金屬-相變材料-金屬三層結(jié)構(gòu)的中紅外可調(diào)諧完美吸波器。通過結(jié)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(diào)控范圍高達(dá)230 nm（圖2(a)）[32]。此后，英國南安普頓大學(xué)Nikolay I.Zheludev 等人利用ZnS/SiO2-相變材料-ZnS/SiO2-Au 多層混合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了具有400%調(diào)諧范圍和10 MHz 調(diào)制速度的相變材料基可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料[33]。近年來，基于相變材料的可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)表面被廣泛研究[34-41]。英國牛津大學(xué)Harish Bhaskaran 教授等人通過對(duì)相變材料基超構(gòu)表面進(jìn)行局部振幅調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的結(jié)構(gòu)彩色顯示技術(shù)[42-43]。基于相變材料的可調(diào)諧超構(gòu)材料不僅可以實(shí)現(xiàn)光波的振幅調(diào)制，還可用于光波的相位調(diào)制，在可調(diào)諧的光束控制[44]和超構(gòu)透鏡[45]等領(lǐng)域展現(xiàn)出了一定的應(yīng)用潛力。

圖2 熱驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料。(a)基于相變材料的可調(diào)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(shí)模擬得到的吸收光譜[32]。(b)電熱驅(qū)動(dòng)的硅基空間光調(diào)制器的示意圖及其在3.5 mW 的電驅(qū)動(dòng)下的相位、振幅調(diào)制譜線[47]。(c)溫控硅基可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)表面示意圖及其溫控可調(diào)諧的散射光譜特性[48]。(d)基于SrTiO3的可調(diào)諧吸波器的結(jié)構(gòu)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(lán)色部分為SrTiO3層（左），實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(gòu)材料層和分布式布拉格反射器組成的光學(xué)諧振器，通過電熱改變硅的光學(xué)常數(shù)，該器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)光波的相位調(diào)制，響應(yīng)時(shí)間為～70μs，比傳統(tǒng)基于液晶的空間光調(diào)制器快一個(gè)數(shù)量級(jí)[47]。2017年，澳大利亞國立大學(xué)Mohsen Rahmani教授等人演示了一種硅納米盤超構(gòu)表面，在20～300℃的溫度范圍內(nèi)，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(dǎo)體材料類似，鈦酸鍶（SrTiO3）材料的光學(xué)常數(shù)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(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料中，其在THz 波段表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能[49-50]。Min Zhong等人基于SrTiO3和金屬材料實(shí)現(xiàn)了THz 波段的可調(diào)諧吸收器，當(dāng)溫度從300 K增加到380 K 時(shí)，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(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料

為了易于與現(xiàn)有的電子信息技術(shù)兼容，電驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料受到材料和光電子領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。根據(jù)材料的不同，本小節(jié)主要介紹基于液晶、二極管、透明導(dǎo)電氧化物以及石墨烯這4 類電驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料的研究進(jìn)展。

液晶（Liquid Crystals,LC）材料通電時(shí)液晶分子排列變得有序，而不通電時(shí)其排列較為混亂。在這個(gè)過程中，液晶的光學(xué)常量會(huì)發(fā)生變化[52-53]。因此，基于液晶的可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料大多是通過施加電場來對(duì)向列相液晶分子進(jìn)行重新排列，進(jìn)而改變超構(gòu)表面周圍的局部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)共振調(diào)制效果[54-55]。為了減少損耗，獲得更好的光學(xué)響應(yīng)，Arseniy I. Kuznetsov 等人將液晶在二氧化鈦（TiO2）結(jié)構(gòu)上進(jìn)行整合，制造出液晶基空間光調(diào)制器。圖3(a)為透射式液晶基TiO2介質(zhì)超構(gòu)表面調(diào)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(shí)，可實(shí)現(xiàn)0～2π的相位調(diào)控，在光束轉(zhuǎn)向和全息成像等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[56]。此外，將超構(gòu)表面的極化選擇性與電場誘導(dǎo)的液晶分子扭曲排列相結(jié)合也是一種基本的調(diào)制方法。Mukesh Sharma 等人將具有偏振響應(yīng)的結(jié)構(gòu)陣列與液晶分子相結(jié)合，在0～5 V 電壓控制和入射偏振光輸入共同作用下，實(shí)現(xiàn)了一種偏振敏感的結(jié)構(gòu)色彩調(diào)制[57]（圖3(b)），但該工作中獲得的顏色飽和度和反射強(qiáng)度都還有待進(jìn)一步提高[58]。此外，基于液晶的可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)表面的功能單元尺寸較大，且只有毫秒級(jí)的調(diào)制速度，在一定程度上限制了其應(yīng)用[13]。

二極管作為電控活性材料，在微波可調(diào)諧超構(gòu)材料中起重要作用，將其設(shè)置在微波開口諧振環(huán)的開口處，可實(shí)現(xiàn)微波振幅、相位的調(diào)控[59]。Sameer Sonkusale等人將二極管與超構(gòu)材料陣列的結(jié)構(gòu)單元串聯(lián)放置，設(shè)計(jì)出一種頻率可調(diào)控的超構(gòu)材料反射器。在0～9 V 的偏置電壓調(diào)控下，該超構(gòu)材料的反射峰可以在2.0～6.0 GHz 范圍內(nèi)變化[60]（圖3(c)）。Tiejun Cui等人提出了時(shí)空編碼超構(gòu)表面的概念[61]（圖3(d)），同時(shí)在空域和頻域中實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁波的操縱。該團(tuán)隊(duì)利用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）輸出電信號(hào)，控制二極管基可調(diào)諧超構(gòu)材料，進(jìn)而組成時(shí)空編碼超構(gòu)材料。通過優(yōu)化時(shí)空編碼序列實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知雷達(dá)[62]、自適應(yīng)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(qū)動(dòng)可調(diào)諧超構(gòu)材料。(a)液晶基透射式可調(diào)諧超構(gòu)表面操控光束示意圖（上），實(shí)驗(yàn)測得的三個(gè)主要衍射級(jí)的透射譜（下）[56]。(b)偏振敏感的超構(gòu)材料示意圖（上左）以及液晶基偏振敏感的電控可調(diào)諧超構(gòu)材料（上右），0～5 V 電壓驅(qū)動(dòng)和入射偏振光共同作用下的顏色調(diào)制光學(xué)照片（下）[57]。(c)二極管基可調(diào)諧超構(gòu)材料反射器的示意圖（左）以及實(shí)驗(yàn)測得的不同電壓驅(qū)動(dòng)下的反射譜（右）[60]。(d)二極管基時(shí)空編碼超構(gòu)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(dǎo)電材料的載流子密度來實(shí)現(xiàn)材料光學(xué)參量的變化，也是一種電驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧超構(gòu)材料設(shè)計(jì)方法[13]，近年來一些基于銦錫氧化物（ITO）等透明導(dǎo)電氧化物的研究充分利用了該方法。Harry A.Atwater 等人于2016年報(bào)道了一種基于ITO材料的可調(diào)諧超構(gòu)表面，在1610 nm 波長處通過2.5 V 的偏壓作用實(shí)現(xiàn)了相位差為π 的調(diào)制，且調(diào)制頻率超過了10 MHz[65]（圖4(a)）。然而，該工作只能實(shí)現(xiàn)30%的反射調(diào)幅比，限制其調(diào)制深度的主要因素是ITO的屏蔽效應(yīng)，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(jié)構(gòu)模型可以解決這一問題，獲得了超過300°的相位調(diào)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(diào)控的反射式超構(gòu)表面，每個(gè)功能單元都有獨(dú)立的上下兩個(gè)柵極電極（圖4(b)），用于獨(dú)立調(diào)整反射系數(shù)的實(shí)部和虛部，首次實(shí)現(xiàn)了相位和振幅的解耦調(diào)諧。該超構(gòu)表面在250μm×250μm 的面積內(nèi)具有550 個(gè)可單獨(dú)尋址的功能單元，可以在獨(dú)立調(diào)控振幅的同時(shí)，以5.4 MHz 的頻率在0～2π 范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的相位掃描。不僅解決了調(diào)制深度有限的問題，還實(shí)現(xiàn)了覆蓋0～2π范圍的相位調(diào)諧，可應(yīng)用于光學(xué)檢測、測距、全息、光通信等領(lǐng)域[68]。

石墨烯因其獨(dú)特的電子能帶和晶體結(jié)構(gòu)而展現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能，其費(fèi)米能級(jí)可以隨電調(diào)制引起的載流子密度變化而發(fā)生顯著位移，進(jìn)而引起其光學(xué)參量變化[69-70]。石墨烯與超構(gòu)表面的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)具有更高調(diào)諧速度、更大振幅調(diào)制范圍和高穩(wěn)定性的可調(diào)諧光電器件[71-72]。該可調(diào)諧的超構(gòu)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(diào)制電壓，從而限制了相關(guān)器件的應(yīng)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(gòu)表面調(diào)制器[75]。非晶硅在MIR 波段的光學(xué)損耗低且在特定的柵電壓下導(dǎo)電，因此在不需要減少介質(zhì)隔離層厚度的前提下，就能以低于10 V 的電壓驅(qū)動(dòng)器件，并達(dá)到90%左右的調(diào)制深度和超過1 GHz 的調(diào)制速度（圖4(c)）。除了振幅調(diào)制，近年來石墨烯基可調(diào)諧超構(gòu)材料也被用于相位調(diào)制，并展現(xiàn)出了不凡的調(diào)制效果。Iskandar Kholmanov 等人將單層石墨烯與包含納米級(jí)間隙的等離基元超構(gòu)材料結(jié)合得到了相位可調(diào)諧的光學(xué)超構(gòu)材料（圖4(d)），超構(gòu)材料將入射光集中到納米間隙內(nèi)，顯著增強(qiáng)了光與單層石墨烯之間的耦合。在不同電壓的驅(qū)動(dòng)下，可對(duì)該超構(gòu)材料的反射光相位進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制范圍可達(dá)55°[76]。

圖4 ITO基和石墨烯基電驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料。(a)電控ITO基相位可調(diào)諧超構(gòu)材料示意圖[65]。(b)ITO基相位和振幅解耦調(diào)諧的超構(gòu)表面示意圖（左上），結(jié)構(gòu)單元示意圖（右上）及其電控可調(diào)諧的反射光譜（左下）和相位調(diào)制光譜（右下）[68]。(c)石墨烯基可調(diào)諧超構(gòu)表面示意圖（左）及柵極偏壓相關(guān)的調(diào)制深度光譜（右）[75]。(d)基于單層石墨烯的相位可調(diào)諧超構(gòu)材料示意圖（左）及實(shí)驗(yàn)測得的不同石墨烯費(fèi)米能級(jí)下超構(gòu)材料的相位調(diào)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(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料

本小節(jié)介紹的光驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料，主要是利用泵浦激光誘導(dǎo)材料的光載流子變化，引起材料的電導(dǎo)率改變，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)控電磁波的功能。研究人員發(fā)現(xiàn)在泵浦脈沖激光的照射下，硅材料局部載流子會(huì)聚集，從而使局部的電磁參數(shù)發(fā)生變化?；诠璨牧系倪@一特性，將其與超構(gòu)材料相結(jié)合構(gòu)成硅基光驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧超構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)了THz 波段透射振幅的調(diào)諧。Yalin Lu 等人通過在藍(lán)寶石襯底上外延生長硅實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧超構(gòu)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(duì)透射率調(diào)制可達(dá)38%，且開啟時(shí)間在20 ps內(nèi)，恢復(fù)時(shí)間僅為300 ps，展現(xiàn)出超快的調(diào)諧特性[77]。此外，Weili Zhang 等人基于光活性硅材料設(shè)計(jì)出一種光驅(qū)動(dòng)的可調(diào)超構(gòu)材料。在1350 mW 泵浦光的激勵(lì)下，該超構(gòu)材料在0.74 THz下的傳輸振幅從85%被調(diào)制為43%，實(shí)現(xiàn)了光控電磁透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）現(xiàn)象（圖5(b)）[78]。

相比硅材料，III-V 型半導(dǎo)體不僅具有同樣的光敏特性，而且具有更快的調(diào)制速度[79]。Maxim R.Shcherbakov 等人設(shè)計(jì)出一種GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面，通過低泵浦通量（<400 uJ/cm2）的激光，實(shí)現(xiàn)了近紅外區(qū)域Mie氏共振的調(diào)諧。如圖5(c)所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示磁共振模式發(fā)生了30 nm 的藍(lán)移，反射率調(diào)制高達(dá)35%，恢復(fù)時(shí)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(guān)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(dǎo)致該器件對(duì)p偏振光的絕對(duì)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(diào)制速度，可以在800 fs內(nèi)打開和關(guān)閉[81]。此外，基于鈣鈦礦材料的光驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料也受到了關(guān)注和研究[82-84]。

圖5 光驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料。(a)硅基光控可調(diào)諧超構(gòu)表面示意圖（上）及其在不同延遲的飛秒激光激勵(lì)下的透射調(diào)制響應(yīng)（下）[77]。(b)光驅(qū)動(dòng)硅基EIT 可調(diào)諧超構(gòu)材料示意圖（左），單線結(jié)構(gòu)（粉紅色）、雙開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)（橙色）和EIT 超構(gòu)材料（橄欖色）的透射振幅光譜[78]。(c)低泵浦光驅(qū)動(dòng)的GaAs基可調(diào)諧超構(gòu)表面示意圖[80]。(d)基于CdO:In 材料的全光偏振開關(guān)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(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料

當(dāng)線偏振光沿著磁場方向傳播，穿過磁光物質(zhì)時(shí)，光的偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，該現(xiàn)象被稱為法拉第磁光效應(yīng)。利用這一效應(yīng)，在磁性物質(zhì)上構(gòu)造超構(gòu)表面并施加不同的磁場，可實(shí)現(xiàn)基于磁性物質(zhì)的磁驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧超構(gòu)材料。

V.I.Belotelov 等人設(shè)計(jì)了一種金屬-介質(zhì)材料納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)模式。面內(nèi)的磁場變化會(huì)影響波導(dǎo)模式，從而改變磁等離子體晶體的透射光譜，對(duì)透射光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)24%的調(diào)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(gòu)成的幾何相位超構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)了寬帶半波片、光束偏轉(zhuǎn)、貝塞爾光束和渦旋光產(chǎn)生等功能（圖6(b)）[86]。其中，在THz 波段設(shè)計(jì)的寬帶半波片的效率可高達(dá)80%，并可通過改變外部磁場，控制其功能的開關(guān)。Lei Bi 等人利用Ce1Y2Fe5O12材料的低光損耗和強(qiáng)磁光效應(yīng)的特點(diǎn)，將它作為介質(zhì)層，設(shè)計(jì)出一種磁驅(qū)動(dòng)的可調(diào)諧手性超構(gòu)表面。通過改變施加磁場的大小和方向，不僅可以調(diào)控遠(yuǎn)場手性光譜的符號(hào)，還實(shí)現(xiàn)了高達(dá)0.6的光學(xué)手性場調(diào)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(qū)動(dòng)可調(diào)諧超構(gòu)表面設(shè)計(jì)中，磁性物質(zhì)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(zhì)鎳加工成圓盤結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種由激發(fā)手性的金納米盤和提供法拉第磁光效應(yīng)的鎳納米盤組成的超構(gòu)材料，通過調(diào)控施加磁場的方向可實(shí)現(xiàn)手性透射光譜的調(diào)制（圖6(d)）。并且他們認(rèn)為，在可見光和近紅外光譜范圍內(nèi)，該器件的電磁感應(yīng)開關(guān)極限速度可達(dá)10 GHz，同時(shí)能保持100%～150%的調(diào)制范圍，可用于手性分子傳感、光通信等領(lǐng)域[88]。

圖6 磁驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料。(a)磁等離子超構(gòu)材料示意圖（左）及其在飽和磁場作用下，縱向磁光強(qiáng)度效應(yīng)δ 的頻譜幅值譜線（右），藍(lán)線為計(jì)算值，紅線為實(shí)驗(yàn)值[85]。(b)由金屬和磁光材料混合構(gòu)成的光束偏轉(zhuǎn)超構(gòu)表面示意圖（左）及其在不同強(qiáng)度磁場作用下的光束偏轉(zhuǎn)情況（右）[86]。(c)以磁性物質(zhì)Ce1Y2Fe5O12 作為介質(zhì)層的磁可調(diào)諧超構(gòu)表面示意圖（左）及其磁場可調(diào)手性成像效果（右）[87]。(d)以磁性物質(zhì)鎳作為圓盤結(jié)構(gòu)的磁可調(diào)諧超構(gòu)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(jié)構(gòu)重構(gòu)型可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料

與基于切換材料特性的調(diào)諧方法不同，一些研究嘗試通過改變超構(gòu)材料微/納米結(jié)構(gòu)的排列、形狀和方向，使得超構(gòu)材料局部場態(tài)和整個(gè)系統(tǒng)的電磁響應(yīng)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)諧超構(gòu)材料電磁響應(yīng)的功能。目前，此類結(jié)構(gòu)重構(gòu)型可調(diào)諧超構(gòu)材料主要分為基于柔性可拉伸材料的可調(diào)諧超構(gòu)材料和基于微機(jī)電系統(tǒng)的可調(diào)諧超構(gòu)材料兩大類。

4.1 柔性可拉伸材料

如何實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面的光學(xué)響應(yīng)可調(diào)控性，結(jié)構(gòu)重構(gòu)是一種相對(duì)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(duì)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(jī)材料在可調(diào)的超構(gòu)材料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[90-94]。由柔性可伸縮襯底與亞波長結(jié)構(gòu)單元組成的結(jié)構(gòu)重構(gòu)型可調(diào)諧超構(gòu)材料，其可調(diào)性主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)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(diào)控的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)色，通過對(duì)PDMS進(jìn)行不同程度的拉伸引起結(jié)構(gòu)周期的變化，從而實(shí)現(xiàn)綠色到紫紅色的顏色變化（圖7(a)）[95]。從整個(gè)PDMS基板樣品的角度來看，拉伸過程中產(chǎn)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(dǎo)致其光學(xué)性能具有較強(qiáng)的偏振敏感性。針對(duì)這一難題，Shumin Xiao等人為了實(shí)現(xiàn)偏振不敏感的可拉伸光學(xué)器件，將TiO2超構(gòu)表面與PDMS結(jié)合，充分利用TiO2超構(gòu)表面同時(shí)支持磁偶極共振和電偶極共振的特性，在平行和垂直于應(yīng)變的方向上引入兩種不同的共振機(jī)制，成功研制出一種偏振不敏感的可拉伸的變色超構(gòu)表面（圖7(b)）[96]，并實(shí)驗(yàn)展示了其在彩色動(dòng)態(tài)顯示方面的應(yīng)用潛力。

圖7 拉伸可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料。(a)基于PDMS基板的動(dòng)態(tài)調(diào)諧結(jié)構(gòu)示意圖（左）以及超構(gòu)材料在不同拉伸長度下的反射光譜（右）[95]。(b)可拉伸TiO2超構(gòu)表面的示意圖（左）及其在不同偏振狀態(tài)下不同應(yīng)變的反射光譜（右）[96]。(c)可拉伸基材上的超構(gòu)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(diào)諧超構(gòu)透鏡的示意圖（左），1 kV 電壓驅(qū)動(dòng)下，超構(gòu)透鏡的焦距從50.1 mm 變?yōu)?3.1 mm（中）以及兩個(gè)條件下焦點(diǎn)處的光場強(qiáng)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(diào)諧超構(gòu)表面的振幅調(diào)制同樣備受關(guān)注[97]。

Cherie R.Kagan 課題組制作出金等離基元晶格光柵，實(shí)驗(yàn)顯示每1%的應(yīng)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(shè)計(jì)了一種基于金開口環(huán)結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面，在中紅外波段實(shí)現(xiàn)了高達(dá)400 nm 的反射峰調(diào)諧范圍[99]。針對(duì)不同的應(yīng)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]。基于可拉伸基材實(shí)現(xiàn)的可調(diào)諧超構(gòu)表面全息圖是另一項(xiàng)備受關(guān)注的工作。通過拉伸柔性襯底以改變超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置，進(jìn)而改變相位的不連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波前的重構(gòu)。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(xì)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(shí)現(xiàn)高效、彩色和穩(wěn)定的可調(diào)諧全息圖仍有許多工作亟需完成[101-102]。拉伸可調(diào)諧的光學(xué)超構(gòu)表面也為實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的超構(gòu)透鏡提供了有效的方法[103]。Federico Capasso等人將5個(gè)可拉伸碳納米管電極、超構(gòu)透鏡以及聚丙烯酸酯彈性致動(dòng)器基板組合，通過5個(gè)可尋址電極調(diào)制出不同的拉伸組合來實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面電調(diào)制，重建了出射光的波前，以達(dá)到電控超構(gòu)透鏡焦距和像散的目的[104]（圖7(d)）。該設(shè)備中可拉伸電極的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到（33±3） ms。若采用更好的彈性體材料或進(jìn)一步優(yōu)化制造工藝，基于柔性可拉伸材料的可調(diào)諧超構(gòu)表面有望獲得更快的調(diào)制速度[105-106]。

4.2 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）

微機(jī)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(jí)的智能控制系統(tǒng)。多個(gè)超構(gòu)表面以垂直集成的方式相互作用，輔以MEMS作為執(zhí)行器對(duì)每個(gè)超構(gòu)表面進(jìn)行操控，可以擴(kuò)大調(diào)制范圍。Andrei Faraon等人設(shè)計(jì)出一種基于MEMS系統(tǒng)的可調(diào)諧超構(gòu)透鏡。如圖8(a)所示，該設(shè)計(jì)由兩個(gè)超構(gòu)透鏡組成，一個(gè)固定在玻璃基板上，另一個(gè)可移動(dòng)的超構(gòu)透鏡制作在SiNx薄膜上。由MEMS電力驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)超構(gòu)透鏡，以控制兩個(gè)超構(gòu)透鏡之間的距離，實(shí)現(xiàn)透鏡的有效焦距從565到629μm 可調(diào)[18]。除了位置自由度之外[107]，MEMS平臺(tái)還可為超構(gòu)表面引入角度變化的自由度。Tapashree Roy 等人將超構(gòu)透鏡和二維掃描的MEMS系統(tǒng)集成在一起，由MEMS平臺(tái)沿著兩個(gè)正交方向控制透鏡的角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦光的動(dòng)態(tài)控制（圖8(b)）[108]。將MEMS平臺(tái)與柔性襯底相結(jié)合，通過操縱單元結(jié)構(gòu)的幾何形狀，可以得到動(dòng)態(tài)可調(diào)控超構(gòu)表面[109-113]。Jeremy B.Reeves等人將MEMS與柔性可變性的機(jī)械腳手架相結(jié)合，通過施加單向的力來調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)之間的距離，從而調(diào)控超構(gòu)表面的反射光譜，當(dāng)外加力減小時(shí)，超構(gòu)表面在長波范圍內(nèi)的共振峰將發(fā)生紅移（圖8(c)）[114]。MEMS平臺(tái)還可將靜電力用于操縱超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的形變。Xin Zhang 等人設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)電驅(qū)動(dòng)的微懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)的可調(diào)太赫茲超構(gòu)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(jī)電致動(dòng)器。通過在懸臂和基板之間施加電壓，感應(yīng)靜電力將拉低懸臂的自由端，從而實(shí)現(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)的可調(diào)控（圖8(d)），實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)透射光的偏振態(tài)。此外，該技術(shù)與CMOS工藝兼容，不僅能豐富太赫茲光學(xué)元件庫，還能促進(jìn)太赫茲波段的實(shí)際應(yīng)用。

圖8 結(jié)構(gòu)重構(gòu)型可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料。(a)MEMS可調(diào)超構(gòu)透鏡的示意圖（左）；實(shí)驗(yàn)測得的前焦距f 和兩個(gè)超構(gòu)透鏡之間距離d 隨施加的直流電壓變化曲線（右）[18]。(b)超構(gòu)表面透鏡單元結(jié)構(gòu)示意圖（左上），超構(gòu)透鏡樣品的掃描電子顯微鏡圖像（右上）及其調(diào)制機(jī)制（下）[108]。(c)基于柔性聚合物支架的可拉伸電磁超構(gòu)材料示意圖（左），不同外力拉伸下超構(gòu)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(diào)諧超構(gòu)材料示意圖（左）和不同電壓下懸臂曲率偏轉(zhuǎn)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(jié)與展望

本文主要綜述了可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料的調(diào)諧機(jī)制和控制方法。通過附加外場與控制系統(tǒng)得到的可調(diào)諧光學(xué)超構(gòu)材料，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的光學(xué)響應(yīng)和信息的實(shí)時(shí)調(diào)制?；谙嘧儾牧?、二氧化釩、半導(dǎo)體和石墨烯等活性材料的可調(diào)諧超構(gòu)表面最高可以實(shí)現(xiàn)GHz 的調(diào)制頻率，已應(yīng)用于全息成像、結(jié)構(gòu)彩色等領(lǐng)域。然而，目前可調(diào)諧超構(gòu)材料的光學(xué)效率較低，主要是由于多數(shù)動(dòng)態(tài)超構(gòu)表面器件都是基于金屬超構(gòu)表面和可調(diào)元素相集成的復(fù)合型超構(gòu)表面，金屬材料本身的光學(xué)損耗限制了金屬復(fù)合型動(dòng)態(tài)超構(gòu)表面的調(diào)控效率。再加上可調(diào)元素苛刻的驅(qū)動(dòng)條件進(jìn)一步限制了其廣泛應(yīng)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(huì)為解決目前可調(diào)諧超構(gòu)材料損耗大、驅(qū)動(dòng)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(xué)特性外，利用結(jié)構(gòu)重構(gòu)引起的尺寸變化也是實(shí)現(xiàn)可調(diào)超構(gòu)表面的有效方法，實(shí)現(xiàn)形狀和尺寸變化的方法通常包括機(jī)械變形（例如，柔性可拉伸材料）、MEMS[117]等。然而，合適的開關(guān)電源的合成難度大，而且MEMS工藝復(fù)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(shù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)成為可能，有望簡化超構(gòu)材料的加工工藝，降低加工成本，為可調(diào)諧超構(gòu)材料的進(jìn)一步發(fā)展提供契機(jī)[118]。

不同調(diào)諧機(jī)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(shí)現(xiàn)可調(diào)控器件，由于微波波長較長，對(duì)應(yīng)器件尺寸相對(duì)較大，外加較為成熟的電路印刷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集成二極管的微波調(diào)控器件較為容易；在太赫茲到光學(xué)波段，一般采用熱、電、光、磁和機(jī)械等激勵(lì)相變材料、二維材料、半導(dǎo)體材料和可形變材料實(shí)現(xiàn)超構(gòu)材料動(dòng)態(tài)調(diào)控。從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)高頻波段的動(dòng)態(tài)可調(diào)諧超構(gòu)材料較為困難，主要由于高頻波段超構(gòu)材料中的超構(gòu)原子周期一般在百微米（可見光波段在納米）量級(jí)，對(duì)每一個(gè)超構(gòu)原子進(jìn)行獨(dú)立控制，就需要有非常精密的加工以及控制手段才能夠?qū)崿F(xiàn)，技術(shù)難度較大。因此需要更多的探索和努力來繼續(xù)推進(jìn)該方向的發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)超原子獨(dú)立靈活調(diào)控是可調(diào)諧超構(gòu)材料未來研究的主要目標(biāo)之一。對(duì)超構(gòu)原子進(jìn)行獨(dú)立控制，才是真正意義上的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)超構(gòu)材料，這可以豐富每一個(gè)動(dòng)態(tài)超構(gòu)材料器件的功能。同時(shí)，基于同一超構(gòu)材料，通過采用不同的調(diào)控方案，重構(gòu)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(dú)立調(diào)控可以對(duì)超構(gòu)材料進(jìn)行編程，并將其直接應(yīng)用到實(shí)時(shí)成像和無線通信中。雖然已經(jīng)有一部分相關(guān)的工作[119]，但是包括器件加工手段，功能擴(kuò)展，性能優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用等多個(gè)方面仍面臨著巨大的困難和挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步開展大量研究工作。目前可調(diào)諧超構(gòu)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(shí)現(xiàn)功能可調(diào)，主要采用開環(huán)的控制系統(tǒng)，不包含用于建立可自動(dòng)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(diào)控能力。未來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，如果將可調(diào)諧超構(gòu)材料與感應(yīng)反饋系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，形成具有自動(dòng)決策能力的智能可調(diào)諧超構(gòu)材料，超構(gòu)材料將有望在視覺成像、信息處理等各個(gè)領(lǐng)域取得重要應(yīng)用。