彭 暢，李子樂,，賀志學，鄭國興,

（1.武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430072；2.鵬城實驗室 電路與系統(tǒng)部，廣東 深圳 518055）

引言

超表面是一種二維人造周期性結構材料，由亞波長尺度的單元結構組成，它們能在極微小的分辨率下為光波賦予空間變化的相位、振幅或偏振態(tài)信息。2011年哈佛大學Capasso 課題組首次提出超表面的概念并設計具有V 型單元結構的超表面陣列，開啟了此領域研究的時代[1]。自這一概念提出至今，基于其可對光場多種參量靈活調(diào)控的特性以及亞波長尺度單元結構帶來的高分辨率、大衍射角等優(yōu)勢，超表面器件及其各種功能如透鏡[2-5]、靜態(tài)全息[6-7]、高分辨率圖像顯示[8-9]等被相繼實現(xiàn)。超表面具有體積小、重量輕、集成度高、與半導體工藝兼容等優(yōu)點，表現(xiàn)出極大的應用和產(chǎn)業(yè)化潛力。

在早期，對超表面的研究大多聚焦于被動功能，即在三維空間下根據(jù)目標工作效果確定的所有參數(shù)不發(fā)生改變，當設計和加工完成時，超表面所能攜帶的信息量也就隨之固定。為突破這一限制，學者們進一步發(fā)掘單元結構的設計自由度，提出多種復用方案[10-11]。但即便如此，有限通道的信息復用仍遠遠不能滿足實際需求。如果能將超表面的設計擴展到四維（三維空間+一維時間），即超表面的光學特性能夠通過外部激勵動態(tài)調(diào)控，形成可隨時間、空間變化的光學響應，將獲得更大的應用前景，并產(chǎn)生新的光學現(xiàn)象，如實現(xiàn)連續(xù)變焦透鏡、動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器、動態(tài)光學全息等，甚至可以集成多種功能，按需切換。這種時空動態(tài)超表面已成為當下的研究熱點，被稱為“主動式超表面”。

考慮到納米單元結構的光學響應與其幾何參數(shù)、材料組成、入射光特性以及周圍介質(zhì)環(huán)境等有關，而相鄰單元結構輻射模式之間的相互作用與排列方式、周期等有關，主動式超表面往往利用外部激勵作用于以上因素，實現(xiàn)隨時間、空間變化的光波參量動態(tài)調(diào)控，包括通過機械拉伸改變納米磚的排列周期[12-14]、采用動態(tài)材料制成電磁參數(shù)可控的微納結構單元[15-19]、改變超表面所處介電環(huán)境的折射率[20]等。在眾多方案中，得益于響應速度快、動態(tài)范圍大、設計簡單、工藝可與現(xiàn)有顯示技術相兼容等優(yōu)勢，基于液晶的主動式超表面得到相對廣泛的研究。

本文回顧近年來液晶主動式超表面的研究與發(fā)展歷程，發(fā)掘各種液晶與超表面結構、功能集成的原理及應用，并將液晶與超表面的結合方式依據(jù)兩者功能的獨立性分為兩大類進行闡述，如圖1所示：1）液晶與超表面功能相對獨立，液晶單獨可作為波片、超表面單獨可作為偏振復用器件，相結合以獲得快速的功能切換效果；2）液晶與超表面功能整體設計，液晶作為微納結構的動態(tài)環(huán)境，或利用液晶與超表面相輔相成的光學特性實現(xiàn)功能擴展。

圖 1 主動式液晶超表面Fig.1 Active metasurfaces based on liquid crystals

1 液晶材料的動態(tài)特性

向列型液晶由于其分子取向排布規(guī)則且易于控制，成為了與超表面結合的最佳選擇。通常狀態(tài)下，向列型液晶可以看作一類單軸晶體，具有各向異性。光束在其中傳播時平行和垂直于光軸的分量所經(jīng)歷的折射率分別為ne和no。在受到外部參量如電壓、溫度、光、力等激勵時，液晶分子排布發(fā)生規(guī)律性變化，宏觀體現(xiàn)為折射率的改變。

在電壓控制下，假設初始時所有液晶分子均在水平面內(nèi)且取向一致。電場在液晶分子中激發(fā)沿長軸排布的電偶極子，隨著電壓增大，電偶極子在豎直平面內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)向與電場線平行。這一過程中，偏振方向沿初始時液晶分子短軸的入射光感受到的折射率不變，為no；而對于偏振方向沿長軸的入射光，等效折射率neff隨液晶分子與水平面之間夾角θ變化，如(1)式：

在溫度控制下，加熱將使ne減小、no增大，即各向異性減小。當升溫至清亮點Tc，ne和no隨溫度變化的曲線相交，液晶由各向異性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲?，折射率變?yōu)槠骄祅iso：ne(Tc)=no(Tc)=niso(Tc)。溫度超過清亮點后，均值折射率隨溫度單調(diào)遞減，如(2)式：

式中：A、B為由液晶種類、入射光波長等決定的系數(shù)。

光控是通過激光注入使其熱擴散區(qū)域中的液晶升溫，本質(zhì)上是更加精密的溫控方式。力控則是由施加在液晶層上的壓力引起的壓縮流體效應使分子重新排布。在主動式液晶超表面中，不論何種外部激勵，其作用都是使液晶的局部或整體狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響入射光的傳播特性或納米結構的光學響應特性。

2 液晶與超表面功能相對獨立

光波經(jīng)過各向異性液晶時，兩正交分量附加不同相位延遲，體現(xiàn)為出射光束偏振態(tài)的改變。 需合理設計液晶的厚度和其中分子的取向（宏觀表現(xiàn)為光軸取向），使其可作為動態(tài)波片實時調(diào)節(jié)入射光束的偏振。將液晶的這一作用與復用型超表面相結合，通過外部激勵使液晶層具有可逆的波片功能，從而調(diào)制入射到超表面或檢驗從超表面出射的光束，使光學系統(tǒng)在多種工作效果之間切換。在這類設計中，液晶與超表面對入射光束的調(diào)節(jié)作用是相互獨立的，能夠?qū)崿F(xiàn)如動態(tài)全息、動態(tài)結構色、變焦透鏡、光譜調(diào)節(jié)等諸多功能。

分子在水平排布和豎直排布兩種狀態(tài)間變化時，液晶波片主要實現(xiàn)兩類偏振轉(zhuǎn)化，一類是兩正交線偏光之間的轉(zhuǎn)化，而另一類則是兩旋向相反圓偏振光之間的轉(zhuǎn)化。對于線偏光的轉(zhuǎn)化，液晶層的厚度和初始取向設置通常有兩種方案。

1）基于扭曲向列液晶的跟隨效應。當無外部激勵且上下取向?qū)拥娜∠蚍较蛴幸欢▕A角時，液晶分子從上至下連續(xù)扭曲，整體呈現(xiàn)螺旋排布。入射光傳播時電場振動面將跟隨液晶分子進行旋轉(zhuǎn)，最終形成類似于旋光的效果。對于此方案，有無外部激勵時線偏光的偏振方向差別為90°，根據(jù)莫金極限（Mauguin limit），對于λ工作波長，液晶厚度h應滿足(3)式：

2）基于半波片的旋光效應。線偏光經(jīng)過半波片時，出射光與入射光的偏振方向關于半波片的光軸對稱。假設入射光為x（y）偏振，取向?qū)幼饔孟乱壕Х肿优c兩軸成45°，經(jīng)過液晶半波片后，出射光就能轉(zhuǎn)化為y（x）偏振。由于入射光在液晶o軸與e軸上的投影分量相等，此方案下液晶層的厚度h應根據(jù)(4)式設置：

而左旋圓偏光（left circularly polarized light,LCPL）與右旋圓偏光（right circularly polarized light,RCPL）的轉(zhuǎn)化同樣是利用半波片，使x和y分量之間產(chǎn)生π 相位差即可實現(xiàn)旋向變換。

這類利用液晶改變?nèi)肷涔馄駪B(tài)的思路，可以制作各種用于防偽、傳感、顯示、偏振態(tài)檢測等領域的主動式器件。下文主要對動態(tài)波前調(diào)控、動態(tài)光譜調(diào)節(jié)兩大類功能進行討論。

2.1 動態(tài)波前調(diào)控

2.1.1 動態(tài)全息

超表面的相位調(diào)制分為幾何相位和傳輸相位兩類。幾何相位在數(shù)值上等于納米磚轉(zhuǎn)角的兩倍，傳輸相位則由納米磚體積占比決定。各向異性納米結構對于沿不同軸偏振的兩正交線偏光而言具有不同的等效折射率，即傳輸相位相互獨立。利用這一特性，2021年Chuan Shen 等人將液晶波片放置在由二氧化鈦橢圓納米柱組成的超表面之前[21]，利用視覺加密原理，將目標圖像分解為兩幅共享圖，分別作為兩偏振分量的目標圖像。設置入射光沿納米柱長軸偏振，當無外部偏置電壓時，不發(fā)生偏振轉(zhuǎn)換，因此經(jīng)過超表面之后只顯示出一幅共享圖；加載錯誤的偏置電壓時，再現(xiàn)出的仍然是雜亂無章的噪點圖；而只有當偏置電壓為正確數(shù)值時，入射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，且包含有強度相等的兩個正交分量，兩幅全息圖同時再現(xiàn)，疊加后即可解碼出被加密的信息，如圖2(a)所示。進一步地，Chengwei Wan 等人在傳輸相位復用的基礎上加入振幅調(diào)制[22]，液晶波片加載5 V電壓時，入射到超表面上的光波偏振方向不變，而撤除此電壓，光束在液晶中傳播時，x偏振旋轉(zhuǎn)為y偏振，如圖2(b)所示，由此可實現(xiàn)2 組“近場灰度印刷+遠場全息”復用圖像的切換，大大增加了液晶超表面動態(tài)圖像顯示的信息量。

圖 2 液晶波片放于超表面之前的動態(tài)全息顯示Fig.2 Dynamic holographic display of liquid crystal wave plate set before metasurface

對于左右旋圓偏振光而言，它們所獲得的幾何相位互為相反數(shù)，傳輸相位相同。將幾何相位與傳輸相位結合，兩種旋向圓偏光將經(jīng)歷不同的相位延遲，從而實現(xiàn)功能復用。利用液晶改變光波的旋向，再與旋向復用超表面結合，即可實現(xiàn)動態(tài)的全息圖像顯示。2020年，Inki Kim 等人將分別工作于電控、溫控以及壓控3 個模式的液晶層放置在超表面前側(cè)[23]，液晶層在不同數(shù)值的輸入?yún)⒘肯聦?33 nm 入射光實施旋向轉(zhuǎn)換。如圖2(c)所示，電壓作為外部激勵時，入射線偏光的偏振方向與取向?qū)宇A置方向成45°，在0.8 V 和1 V 的偏置電壓下液晶層分別將LCPL 和RCPL 入射至超表面，衍射后形成飛機和直升飛機兩幅不同的全息圖像；溫度作為外部激勵時，入射光依然為45°線偏振光，當液晶從25℃加熱至47℃以上時，液晶從分子排布規(guī)律的向列相變?yōu)榕挪茧s亂的各向同性相，出射光從RCPL 變?yōu)長CPL，全息圖像隨之切換；而當壓力作為外部刺激時，只需要手指輕輕按壓液晶層，就可使入射的LCPL 光旋向翻轉(zhuǎn)，全息圖像從自行車變?yōu)榛鸺?。為充分發(fā)掘此類液晶超表面的實際應用價值，2021年，同一課題組利用相似的原理，并結合液晶分子排布對有害氣體濃度的響應特性[24]，實現(xiàn)異丙醇含量的實時監(jiān)測，如圖2(d)所示。

上述工作均是將液晶波片放置于超表面之前，可以將其看作是起偏器。而若將液晶波片放于超表面之后并與檢偏器相結合，則可以用來篩選附帶特定信息的輸出光偏振分量。

2020年，Yueqiang Hu 等人將液晶全波片置于幾何相位超表面后方[25]，液晶層將出射光中RCPL和LCPL 分量轉(zhuǎn)換為±45°線偏振光，通過調(diào)節(jié)后續(xù)檢偏器的透光軸方向，在單一波長、單一旋向圓偏振光入射時，實現(xiàn)單通道單色全息圖的開關顯示。進一步基于矢量分解原理將超表面設計為旋向復用型，在雙波長、線偏振光入射時，可實現(xiàn)雙通道雙色全息圖切換功能，如圖3(a)所示。2021年，Inki Kim 等人利用像素化、多重偏振通道復用的超表面在遠場再現(xiàn)并疊加[26]，形成光場偏振態(tài)隨空間位置變化的矢量全息圖，通過在集成于超表面之后的液晶層上施加不同電壓，使某個偏振分量的出射光轉(zhuǎn)化為135°線偏振，經(jīng)過45°檢偏器后就可關閉此通道的輸出。這種思路可以巧妙地與數(shù)碼管原理相結合，在實際設計中作者選用5 個偏振態(tài)作為加密通道，分別控制數(shù)碼管中不同段位的亮燈與否，如圖3(b)所示，實現(xiàn)了0、2、6、8、9 五個數(shù)字的開關顯示。

圖 3 液晶波片放于超表面之后的動態(tài)全息顯示Fig.3 Dynamic holographic display of liquid crystal wave plate set behind metasurface

2.1.2 變焦透鏡

若位于液晶波片之后的偏振復用超表面的作用不再是全息片，而是透鏡，則可以在不同的偏振態(tài)入射下將光束聚焦于不同位置，實現(xiàn)焦點的動態(tài)控制。2020年，Shenghang Zhou 等人依照此思路設計出太赫茲波段下電控雙檔變焦透鏡[27]，x偏振光入射時，150 V（ON）與0 V（OFF）的偏置電壓分別對應11.3 mm 和15.1 mm 焦距，如圖4(a)所示。除了在縱向上改變焦點的位置，作者進一步設計出焦距相同、兩焦點橫向位置鏡像對稱的偏振復用超透鏡，并將液晶分子的初始面內(nèi)轉(zhuǎn)角根據(jù)幾何相位排布為梯度光柵，將其置于超透鏡之后，以線偏光入射，偏置電壓ON 狀態(tài)下，液晶層對經(jīng)超透鏡調(diào)制的光束無影響，聚焦于所設計的焦點處；偏置電壓OFF 狀態(tài)下，梯度光柵將入射光分解為RCPL 和LCPL 兩部分并以相同的角度向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，焦點在橫向上分裂為兩個，由此可以實現(xiàn)多種聚焦模式的動態(tài)變換，如圖4(b)。由于液晶層較厚（500 μm），器件的動態(tài)調(diào)制時間需要幾十秒。焦點位置的縱向調(diào)節(jié)通常用于成像系統(tǒng)，而橫向調(diào)節(jié)則可作為通信系統(tǒng)中的端口選擇器。2021年，Trevon Badloe 等人則采用旋向復用超表面以提高器件的工作效率[28]。如圖4(c)，實驗驗證了在可見光波段下，電控液晶雙焦距超透鏡的聚焦效果能夠達到衍射極限，焦距7.5 mm 和3.7 mm 兩個聚焦模式下，成像的空間截止頻率分別為302 cycles/mm和611 cycles/mm，并且器件整體的響應速度也提高至毫秒量級。

圖 4 基于液晶波片的超透鏡焦點位置控制Fig.4 Focus position control of metalens based on liquid crystal wave plate

2.2 動態(tài)光譜調(diào)節(jié)

2.2.1 透反射光譜調(diào)節(jié)

各向異性超表面在各個方向上的截面形狀不同，與不同偏振態(tài)入射光作用的結構形貌也有所差異，可導致不同光學響應的發(fā)生。2.1 節(jié)介紹的電介質(zhì)超表面的傳輸相位偏振復用就是這一特點的體現(xiàn)。實際上，除了理解為結構占比改變引起的等效折射率變化，其更本質(zhì)的原因是不同偏振態(tài)的光波在微納結構內(nèi)部激發(fā)取向、分布、強度不同的電磁多級子（對于金屬材料則是在邊界處激發(fā)的局域表面等離激元，localized surface plasmon,LSP；或表面等離極化激元，surface plasmon polariton,SPP），輻射的出射場將攜帶各異的振幅或相位調(diào)制量。同時，不同的光場局域、損耗程度又將引起吸收率的差異，在寬波段范圍下就體現(xiàn)為共振光譜形狀的重塑。2013年，O.Buchnev 等人首次提出并經(jīng)實驗驗證[29]，為液晶層加載0～7 V 電壓控制入射光的偏振方向，作用于由金鋸齒線（zigzag wires）組成的超表面，可在1.55 μm 處觀察到共振模式被逐漸激發(fā)。Manuel Decker 等人則基于U 型金開口諧振環(huán)（split-ring resonator,SRR）結構[30]，同樣借助液晶實現(xiàn)了等離激元超表面的電控共振模式切換：當無外加電壓時，入射x偏振光經(jīng)液晶層旋轉(zhuǎn)為y偏振，在500 nm～950 nm 波段產(chǎn)生1 處電共振；而當外加電壓達到飽和，x偏振光直接透過液晶層后將激發(fā)2 處磁共振。以上兩項工作表明，液晶波片可以作為超表面的共振開關或共振模式選擇器，控制超表面的光譜響應。

共振光譜的形狀改變，對于單一工作波長，表現(xiàn)為對透反射率及吸收率的調(diào)制。2017年，Hang Su 等人設計了如圖5(a)所示由3 個銀納米線組成單元結構、具有電磁感應透明（electromagnetically induced transparency,EIT）特性的超表面[31]，其中橫向納米線提供輻射模式、一對縱向納米線提供暗模式，這些模式在不同偏振態(tài)入射光激發(fā)下產(chǎn)生不同的耦合效果，宏觀體現(xiàn)為透射光譜中由共振引起的凹陷的位置變化。仿真展示了932.5 nm 沿x軸偏振入射光的工作效果，經(jīng)無外加電壓的液晶層調(diào)節(jié)可變?yōu)閥偏振，最終得到器件在ON/OFF 模式下，透射率絕對調(diào)制量達到85%、調(diào)制深度85.7%的結果。2019年，Zhixiong Shen 等人利用液晶半波片改變?nèi)肷涔馄穹较颍瑢崿F(xiàn)太赫茲波段高品質(zhì)因數(shù)（Q 值）法諾共振的“隱形”[32]。如圖5(b)所示，由具有2 處破缺、單軸對稱的金圓環(huán)結構組成的超表面，在入射光電場與兩開口連線方向平行時，透射光譜中出現(xiàn)2 處共振凹陷；入射光電場調(diào)節(jié)至與開口連線垂直時，無共振產(chǎn)生。實驗中在外加電壓0～50 V 變化時，觀察到在660 GHz 的寬波段范圍內(nèi)，均能實現(xiàn)50%以上的連續(xù)透射率調(diào)制。另外，運用于太赫茲波段的液晶主動式超表面，由于亞波長單元結構的尺寸遠大于液晶分子，對其排布產(chǎn)生的影響及其微弱，因此取向調(diào)節(jié)將更為準確與靈活。

圖 5 基于液晶波片對單波長入射光的透射率調(diào)制Fig.5 Transmittance modulation of single-wavelength incident light based on liquid crystal wave plate

而白光照明下可見光波段共振光譜的差異，則可綜合成多種多樣的結構色。如在鋁薄膜上刻蝕x、y方向上具有不同排列周期的納米孔陣列，其上下界面在兩正交偏振態(tài)入射下將激發(fā)光譜位置不同的LSP 與SPP 混合共振模式，且共振波長隨兩方向上晶格常數(shù)單調(diào)遞增。共振峰的位置和寬度決定了透射結構色的中心波長和純度，可以看作是對白光的一種“顏色濾波”效果。2017年，Youngjin Lee 等人將這類超表面與液晶相結合，液晶層外加0～5 V 變化的電壓即可調(diào)節(jié)入射到超表面光束中x、y分量的占比[33]，當為純粹的x和y偏振時，呈現(xiàn)兩種基本顏色/原色，而當為中間態(tài)，即橢圓偏振時，產(chǎn)生兩種原色的各種混合效果，如圖6(a)。傳統(tǒng)彩色顯示器件通常采用多個固定顏色的通道在遠場混色，而此項工作只需單個單元就能實現(xiàn)色譜圖中兩原色點連線上的任意色彩顯示，設備更加緊湊，設計自由度大大提高。另外，Zuwen Xie 等人利用液晶調(diào)制，使照明鋁光柵超表面的光束在垂直柵線和平行柵線的偏振態(tài)之間轉(zhuǎn)換，同樣實現(xiàn)了兩透射色之間的連續(xù)變化[34]。

將具有各向異性結構色的微納單元排列成特定圖案，通過液晶偏振轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)與超表面相互作用的電磁場分量的方向，就可制作成用于防偽、偏振傳感等領域的“色彩標簽”。2020年，Mukesh Sharma 等人利用電壓控制[35]和全光控制[36]方案分別實現(xiàn)了動態(tài)變色的標簽顯示。在電控研究中，作者設計了條形和十字形鋁納米單元，分別排布成“NEO”和“LC”字樣，其中，顯示“NEO”的超表面只在字母范圍內(nèi)存在微納結構，電壓改變時字母在紫紅色與藍色之間變化；顯示“LC”的超表面，字母與背景中納米磚呈正交方向放置，因此在電壓變化下，兩部分的顏色相互轉(zhuǎn)換，如圖6(b)。全光控制則利用近紅外飛秒激光的非線性熱光效應，使局部液晶在吸收光子后升溫從而產(chǎn)生相變，所對應的超表面區(qū)域中由條形鋁納米磚組成的“TAU”字樣呈現(xiàn)藍色，而位于其余區(qū)域的標簽則呈現(xiàn)黃色，如圖6(c)。由泵浦光束產(chǎn)生的熱擴散區(qū)域橫向尺寸僅有幾十微米，因此作者通過全光方案實現(xiàn)了高動態(tài)分辨率的逐區(qū)域調(diào)制。對于電控模式，這種各單元響應的獨立變化可以通過設置分立電極，并編程賦予各處不同的電壓值實現(xiàn)。

圖 6 基于液晶波片對白光入射光的結構色調(diào)制Fig.6 Structural-color modulation of white incident light based on liquid crystal wave plate

液晶賦予超表面的動態(tài)結構色，為實現(xiàn)更高分辨率、更小閾值電壓、更高集成度的顯示設備提供了新思路，但如何擴大色域范圍、提高色彩純度與飽和度，仍是亟待解決的難題。

2.2.2 吸收光譜調(diào)控

根據(jù)能量守恒定律，透射率、反射率和吸收率的總和為1，因此液晶超表面實現(xiàn)透反射率動態(tài)調(diào)節(jié)的同時還隱含著吸收率的變化。對于由金屬單元組成的等離激元超表面，入射光在微納結構與襯底的交界面（金屬與電介質(zhì)界面）處引發(fā)電荷震蕩與積累，產(chǎn)生電流，電流的歐姆損耗在宏觀上就表現(xiàn)為超表面對入射光波的吸收。如果某種物質(zhì)對不同偏振態(tài)的光波有著不同的吸收系數(shù)，則稱該物質(zhì)具有“二向色性”。特別地，對于圓偏光而言稱為“圓二向色性（circular dichroism,CD）”，其評價指標RCD通常設置為LCPL 吸收率AL和RCPL吸收率AR的函數(shù)，在實際中可以根據(jù)需要定義不同的表達式對左右旋偏振光的吸收差異進行評估。利用光學活性分子如蛋白質(zhì)、氨基酸、多肽等的這類特性，圓二向色性光譜被廣泛應用于生物、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)等領域，另外圓二向色性在偏振探測及成像等方面也展現(xiàn)出獨特的潛力。

通過超表面實現(xiàn)圓二向色性，往往依賴于打破面內(nèi)鏡像對稱性的手性結構。2018年，Dong Xiao等人設計L 型結構單元[37]，在可見光至近紅外區(qū)域內(nèi)，入射光中LCPL 分量在銀納米磚與電介質(zhì)基底的交界面激發(fā)3 處SPP 共振，從而產(chǎn)生強烈的吸收。而RCPL 分量無法與共振模式耦合，吸收率較低。仿真結果表明，LCPL 與RCPL 的吸收率差異可達到40%。此項工作中，作者將RCD定義為：RCD=tan-1[(AL-AR)/(AL+AR)]。將該超表面與液晶半波片結合，動態(tài)調(diào)節(jié)入射光的旋向，當外加電壓逐漸增大，液晶分子與豎直軸之間的夾角θ逐漸減小，如圖7(a)所示，不僅可以屏蔽超表面的手性特征（RCD=0），甚至實現(xiàn)了RCD符號的反轉(zhuǎn)。這種只采用單層超表面構成的旋向選擇吸收器，優(yōu)勢在于透射和反射空間中均可以觀察到手性光學現(xiàn)象。而更一般的手性超表面設計則是基于金屬-絕緣體-金屬（metal-insulator-metal,MIM）結構，即由上層金屬納米單元、中間絕緣層以及下層金屬反射鏡組成，雖然這種經(jīng)典構型只能在反射空間體現(xiàn)圓二向色性，即將一種旋向光反射的同時將另一旋向吸收，但由于光波在兩層金屬組成的微腔中往返并多次與上層功能結構作用，等離激元共振效應被放大，可以達到很高的RCD值。另外，將中間絕緣層材料替換成液晶，超表面的內(nèi)部手性就可由外部激勵改變，同樣可以實現(xiàn)可重構的圓二向色性。在該課題組的另外兩項工作中[38-39]，就采用了如圖7(b)所示的、刻有中心對稱圖案的MIM手性超表面，理論上分別在近紅外波段和可見光波段可實現(xiàn)接近70%和80%的RCD值。這里RCD重新定義為：RCD=|AL-AR|。再通過精心設置中間液晶層的厚度，使入射光的x和y分量在其中往返時積累π 相位差以使光波發(fā)生旋向變化，從而動態(tài)地改變RCD的大小和符號。

圖 7 液晶賦予超表面可調(diào)的圓二向色性Fig.7 Tunable circular dichroism of metasurface based on liquid crystal

3 液晶與超表面功能整體設計

3.1 整體優(yōu)化

由于環(huán)境的電磁特性也是影響超表面光學響應的因素之一，因此另一種思想是在設計單元結構時，把液晶折射率（或液晶偏轉(zhuǎn)角）看做新增自變量一并進行參數(shù)優(yōu)化。

為實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)角度的溫控調(diào)節(jié)，2018年，Andrei Komar 等人在設計結構時將環(huán)境設置為折射率niso（高溫相變后各向同性液晶的等效折射率，no＜niso＜ne）的均勻介質(zhì)，以模擬溫度超過臨界值時的液晶狀態(tài)[40]，在此基礎上掃描截面直徑優(yōu)化出可提供6 臺階相位的6 種納米圓柱，排列成二元閃耀光柵。如此以來，通過加熱液晶超表面至60℃使其發(fā)生相變，25℃室溫下直接透射的0 級出射光束將被偏轉(zhuǎn)至12°的1 級衍射方向，如圖8(a)所示。實測能量轉(zhuǎn)化效率達到50%。

圖 8 液晶折射率作為變量參與超表面的參數(shù)優(yōu)化過程Fig.8 Parameter optimization process of metasurface for refractive index of liquid crystal as variable

變焦透鏡也可以通過這種思路進行設計。2021年，Yanchun Shen 等人對如圖8(b)所示覆蓋在液晶層中的長方體硅納米磚進行尺寸掃描[41]，得到液晶分子水平和豎直排布時相位及透射率隨長寬變化的圖譜。根據(jù)兩個目標焦距計算出超表面所需的相位分布，與圖譜比較并篩選結構，最終組成的透鏡在無外部偏壓和外加飽和偏壓時能將入射太赫茲光波分別會聚于10.3 mm 和8.1 mm 處，實現(xiàn)雙焦距切換效果。而Melissa Bosch 等人則進一步發(fā)掘了液晶超透鏡的連續(xù)變焦?jié)摿42]?；诜颇鶢柾哥R的概念，以OFF 狀態(tài)下（焦距foff，液晶分子轉(zhuǎn)角θ=0°）計算得到的相位分布為基準將超表面劃分為m 個2π 波帶，每個波帶又被離散為n個子波帶，這樣共需優(yōu)化出m×n種如圖8(c)所示的單元結構。掃描幾何尺寸參數(shù)以及液晶分子轉(zhuǎn)角建立模型庫，通常而言，對于雙檔變焦透鏡，所選的結構只需要同時滿足在OFF 和ON 狀態(tài)（焦距fon，θ=90°）分別提供其所需的相位 φoあ和 φon即可。而為了實現(xiàn)連續(xù)變焦，作者新增了一個重要約束：第(m,n)個納米磚相位延遲量φm,n應是θ的線性函數(shù)，且若foff＞fon，單調(diào)遞減，反之則單調(diào)遞增。由此作者設計了工作波長690 nm，m=3、n=4 的柱形超透鏡，在不同液晶分子取向角下相位輪廓連續(xù)且均勻地變化，從而使得焦距可在foff=12 mm 至fon=15 mm 的范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié)，且斯特涅爾比保持在0.72～0.83，擁有可媲美衍射極限的聚焦效果。

大多數(shù)向列型液晶的各向異性僅在0.2 左右，由以上分析可以看到，要實現(xiàn)高性能的動態(tài)調(diào)制存在一定困難。而為了充分利用液晶微小的折射率變化量，將器件的調(diào)制范圍和效率盡量提升，不可避免地需要增加單元結構的幾何自由度，且為了實現(xiàn)多狀態(tài)下的多樣響應，滿足要求的結構的幾何形狀往往非常復雜，傳統(tǒng)基于物理原理或基于參數(shù)掃描的直接設計方法將不再適用。近年來，隨著計算機技術的發(fā)展，深度學習、逆向設計等技術在微納設計領域大放異彩。2020年 Haejun Chung 等人在更大的全局優(yōu)化區(qū)域中結合基于伴隨的局部優(yōu)化技術[43]，成功設計出工作于通信波段的電控雙狀態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器，其中由圖8(d)所示的“上層二氧化鈦光柵+浸入液晶的硅光柵+下層二氧化鈦光柵”3 層單元結構周期性排布形成的器件，在液晶折射率變化Δn=0.192 的ON 和OFF 狀態(tài)下可將入射光分別偏轉(zhuǎn)到±72°（±1 級衍射），且衍射效率超90%，切換效率超80%，大大提高了多狀態(tài)液晶超表面的性能。仿真結果表明，優(yōu)化出的結構能夠完成目標功能的原因是內(nèi)部產(chǎn)生了能與入射場以及目標透射場強烈耦合的共振模式，雖然這一結論也可以事先通過理論分析得出，但是想要以此為目標正向設計出滿足條件的結構卻非常困難，這也正是逆向設計方法的優(yōu)勢所在。通過改進與優(yōu)化算法，還有望在更短的運算時間內(nèi)優(yōu)化出結構更簡單、效率更高的器件。

另一類液晶與超表面整體優(yōu)化的思路是充分挖掘與運用液晶與超表面的互補特性并加以運用，達到“1+1＞2”的效果。

第1 種是將液晶與超表面的相位調(diào)制功能相結合。轉(zhuǎn)角不同的納米磚能夠提供不同的幾何相位，厚度一定的液晶層可以提供隨等效折射率變化的傳輸相位，將兩者串聯(lián)即可增添新的設計維度。逐列復制超表面的相位分布，并在復制列中疊加常數(shù)Δφ，則出射光波中將包含低頻行波與高頻倏逝波兩類分量，通過調(diào)節(jié)Δφ的大小，行波與倏逝波占比發(fā)生變化：當Δφ=2π 時，倏逝波消失，出射的行波能夠在遠場形成圖案；當Δφ=π 時，行波消失，倏逝波無法向前傳播，圖案的顯示被關閉?；谏鲜龇治觯?020年，Jianxiong Li 等人設計圖9(a)所示的結構[44]，其中相鄰列納米磚轉(zhuǎn)角相差90°，提供π 的幾何相位差Δφg。納米磚上層分別覆蓋折射率為na和nb的等厚度電介質(zhì)層，由此通過改變na與nb的相對大小便可在0～π 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)傳輸相位差Δφp，進而能根據(jù)Δφ=Δφg+Δφp實現(xiàn)遠場圖像的開與關。第1 個實施例中，該文作者利用4 片梯度相位超表面實現(xiàn)異常折射光點的4-bit 顯示控制；第2 個實施例中，作者以7 片超表面形成的全息圖對應數(shù)碼管中的7“段”，實現(xiàn)數(shù)字0～9 的動態(tài)編碼顯示；在第3 個實施例中，兩幅相位型全息圖交錯排列，在單片超表面上實現(xiàn)了“站立”與“行走”全息圖案的雙通道顯示。

利用相似的結構，該課題組還設計出可在90°偏振角范圍內(nèi)連續(xù)旋光的偏振轉(zhuǎn)化器[45]。如圖9(b)所示，相位互為相反數(shù)的幾何相位梯度光柵交替放置，覆蓋上折射率分別為n1、n2的介質(zhì)材料，則在同一衍射級次上，入射線偏光中攜帶有不同傳輸相位φ1和φ2的LCPL 和RCPL 分量將重新組合，經(jīng)推導，出射光仍為線偏光，其偏振方向與x軸的夾角α由(5)式給出：

若固定入射光波矢k0、電介質(zhì)層厚度t和聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)折射率n1，則出射光的偏振角度可通過改變液晶折射率n2調(diào)制。合理設計t值使液晶分子水平排布（等效折射率ne）時，φ1-φ2=π，入射光由x偏振轉(zhuǎn)化為y偏振，而液晶分子豎直排布（等效折射率no=nPMMA）時，φ1-φ2=0，入射光的偏振方向保持不變。即可觀察到隨著外加電壓的升高，出射光的偏振旋轉(zhuǎn)角由90°逐漸減小至0°，達到動態(tài)偏振轉(zhuǎn)換效果。進一步在出射光路中放置y方向檢偏器，還可基于馬呂斯定律調(diào)制全息圖的強度。另外，將多片獨立的超表面組合，同樣可實現(xiàn)可編碼的顯示效果。

反之，也可以將納米磚的傳輸相位與液晶的幾何相位串聯(lián)。2020年，Zhixiong Shen 等人設計并實驗展示了可調(diào)色差的超透鏡[46]。將消色差透鏡所需的相位分為兩部分：第一部分為與半徑r和頻率f有關的線性色散項φR(f,r)，由超表面的傳輸相位提供；第二部分為僅與r有關的非色散項φG(r)，由變轉(zhuǎn)角液晶分子的幾何相位提供。如圖9(c)，所示入射圓偏光先后經(jīng)過液晶層與硅超表面，當無外加偏壓時，液晶與超表面的相位延遲量相結合形成無色差的聚焦效果，使0.9 THz～1.4 THz 頻率范圍內(nèi)的入射光均匯聚于12 mm 處；當外加飽和偏壓時，液晶的幾何相位消失，入射光僅受超表面調(diào)制，焦距呈現(xiàn)出隨頻率增大而減小的線性反常色散規(guī)律。對于同一波段，作者還設計了色散可控的光束偏轉(zhuǎn)器，消色差狀態(tài)下所有頻率分量均折轉(zhuǎn)17°出射，而色散狀態(tài)下隨著頻率的增大折射角從6°逐漸變化至10.3°。我們知道，在成像系統(tǒng)中，色差會帶來圖像的模糊，所以消色差是不可缺少的設計步驟，而在光譜成像等其他應用中，則又需要將不同的頻率分量在空間上分離。這項工作所設計的可調(diào)色散光學器件，同時具備消色差和大色差的特性，集多種功能于一體，大大擴展其應用范圍。

圖 9 液晶與超表面光學特性互補Fig.9 Complementation of optical properties with liquid crystal and metasurface

第2 種是將液晶與超表面的透射色相結合。白光線偏光經(jīng)過雙折射介質(zhì)時，沿著快軸和慢軸的偏振光將經(jīng)歷不同的等效折射率從而產(chǎn)生相位差。若此時在出射光路中放置檢偏器，使兩正交分量在透光軸方向上投影并干涉，由于相位差與波長相關，因此滿足相長干涉的頻率在透射光中占主導，由此產(chǎn)生的顏色濾波現(xiàn)象被稱為“干涉色”。從具有各向異性的材料或微納結構中都可以獲得干涉色。通常，單軸的各向異性超表面能夠提供兩種原色以及它們的混合色，顏色動態(tài)范圍僅限于色譜圖上的一條線段，而2020年 Luc Driencourt 等人將等離激元超表面和液晶產(chǎn)生的干涉色相結合，設計的電控濾光片的透射色可覆蓋標準RGB（red,green,blue）色譜圖70%以上的區(qū)域[47]。如圖9(d)所示，器件整體由45°起偏器、銀納米線陣列、電壓控制偏振化方向的檢偏器（1/4 波片+液晶+偏振片）組成。當在液晶層上加載3.45 V 電壓時，檢偏方向與水平呈45°角，此時經(jīng)超表面出射光中y與x分量干涉相長并經(jīng)液晶透射后最終呈現(xiàn)紅色；當電壓為4.2 V，檢偏方向旋轉(zhuǎn)至90°，此時只有不產(chǎn)生共振的y分量出射，整體濾波效果取決于液晶，呈現(xiàn)藍色；當電壓升高至6.5 V，檢偏方向的角度增加到135°，此時兩分量干涉相消產(chǎn)生青色并與液晶提供的黃色相加，呈現(xiàn)綠色。超表面與液晶的干涉色互補正好提供R、G、B 三原色，由此只需通過在2 V～6.5 V 范圍內(nèi)調(diào)整電壓值或利用高速彩色序列顯示的時間平均效應，就可獲得各種混合色?；诖嗽O計的高顯色范圍、高集成度的顯示器件，將助力新一代可穿戴的AR/VR 或多光譜成像等設備的發(fā)展。

第3 種是將液晶與超表面的色散特性相結合。2020年，Yunyun Ji 等人在太赫茲波段綜合設計雙頻液晶和電介質(zhì)超表面，使它們對正交偏振光產(chǎn)生的相位差疊加覆蓋0～π 的動態(tài)范圍，且具有互補的色散特性，從而實現(xiàn)電可調(diào)的寬帶消色差波片[48]。在外加交流電壓頻率為1 kHz、52.5 kHz時，可分別在0.97 THz～1.3 THz、0.67 THz～1.3 THz波段內(nèi)實現(xiàn)半波片和1/4 波片功能。

3.2 液晶作為超表面單元結構的可調(diào)邊界環(huán)境

早在2008年，Wayne Dickson 和Vincent K.S.Hsiao 等人就通過實驗證明了改變金屬微納結構附近液晶分子的取向可以調(diào)節(jié)其共振特性[49-50]。2014年，Bernhard Atorf 等人在進一步研究U 型金SRR結構時發(fā)現(xiàn)，超表面共振光譜的改變除了通過調(diào)整入射光偏振態(tài)之外，還可以利用共振模式近場與結構周圍液晶環(huán)境的直接相互作用來實現(xiàn)[51]。作者在對液晶使用電壓和溫度兩種外部激勵下均觀察到了共振波長的偏移：環(huán)境折射率增加時，共振將紅移，而環(huán)境折射率減小，共振藍移；隨著外部激勵值的變化，共振波長也會在某一范圍內(nèi)連續(xù)移動。對于在SRR 結構中激發(fā)的等離激元共振波長隨液晶取向而變化的機理，作者將液晶看作電容器中可調(diào)諧的介電材料，基于諧振電路模型給予了合理的解釋。推廣到電介質(zhì)超表面，可以定性地分析，入射光在微納結構中形成擴散進入外部環(huán)境的倏逝共振場，共振波長極大程度取決于最強場分量所在方向上對應的液晶介電常數(shù)，而液晶分子在外部激勵下的偏轉(zhuǎn)宏觀上用數(shù)學模型描述即是介電常數(shù)張量矩陣的旋轉(zhuǎn)，從而引起共振光譜偏移。此項工作為后續(xù)對于以液晶作為可控環(huán)境介質(zhì)的可調(diào)諧超表面的研究奠定了基礎。

液晶作為超表面單元結構的可調(diào)邊界環(huán)境時，共振波長的連續(xù)移動能帶來光波參量的連續(xù)調(diào)制，各單元自身就可獨立工作，無需將超表面設計成固定的某幾種功能。通過逐像素控制液晶，實現(xiàn)器件的任意編碼與尋址，是目前最有潛力實現(xiàn)真正連續(xù)調(diào)制、逐像素調(diào)制的主動式方案之一。另外，與作為可逆波片的結構相比，液晶作為環(huán)境時，實際上只與超表面內(nèi)部模式溢出區(qū)域的重疊部分起作用，那么理論上只需要非常臨近超表面的薄薄一層液晶就足夠，大大降低了器件的厚度，促進了尋址單元的微型化和響應的快速化。因而對于此類液晶超表面，即使挑戰(zhàn)重重，學者們的研究熱度仍舊不減。

液晶各向異性的加入使得各向同性超表面的功能對稱性被打破，表現(xiàn)在x和y偏振光入射下共振光譜的差異，可實現(xiàn)超表面各向異性與各向同性光學響應之間的動態(tài)切換。2015年，Jürgen Sautter等人通過溫度變化在通信波段的實驗驗證了這一功能[52]，如圖10(a)所示。得益于調(diào)制前后電共振40 nm 的移動量，器件能對1.642 μm 波長入射光產(chǎn)生84%的透過率調(diào)制。

圖 10 基于溫控液晶的超表面共振特性調(diào)節(jié)Fig.10 Resonance characteristics modulation of metasurface based on temperature-controlled liquid crystal

破壞電介質(zhì)單元結構的面內(nèi)反演對稱，如圖10(b)所示，可以產(chǎn)生基于對稱保護的準連續(xù)譜束縛態(tài)（quasi-bound states in continuum，Q-BIC）模式，共振線寬極窄，廣泛用于傳感、光譜探測、光譜成像等領域的研究。將高Q 值共振與主動式超表面相結合，則可以提高器件的性能及增大動態(tài)范圍。2017年，Matthew Parry 等人將支持這種高Q 模式（Q=270±30）的硅電介質(zhì)共振型超表面浸入液晶環(huán)境中，改變環(huán)境溫度引起折射率變化使得透射光譜中共振凹陷的位置偏移[53]，如圖10(b)，實現(xiàn)了可在一定范圍內(nèi)任意調(diào)控阻帶區(qū)間的窄帶帶阻濾波器。如果用共振波長移動量與線寬的比值定義調(diào)制質(zhì)量因數(shù)，定量分析調(diào)制效果，則這種方案的調(diào)制質(zhì)量因數(shù)可高達3.3±0.6。

與升溫相變相比，電控刺激下液晶的響應速度更快，更加適于此類有潛力實現(xiàn)大范圍連續(xù)且逐像素的光參量調(diào)制方案。除Q-BIC 外，同樣具有高Q 值的法諾共振也備受關注。2015年Wenyu Zhao 等人在非晶硅薄膜上交替刻蝕兩種半徑的納米圓孔陣列[54]，兩陣列之間的同相和反相晶格集體共振通過晶格耦合效應相互作用，從而形成法諾共振，其Q 值隨兩種圓孔半徑差異的減小而增大。合理設計尺寸參數(shù)獲得理想的法諾線型后，將結構與液晶相結合，由于未設置取向?qū)樱壕Х肿釉谒矫鎯?nèi)隨機取向，可用各向同性介質(zhì)描述。初始時其宏觀等效折射率為niso，隨著外加電壓的增大逐漸減小至no，并驅(qū)使共振藍移，如圖11(a)所示，在波長713 nm 處獲得了85%的透射率調(diào)制深度。除此之外，圖11(b)所示的互補金屬圖案，由于對稱性被打破同樣能夠產(chǎn)生法諾共振。2021年Chenxi Liu 等人在兩層該結構中灌入液晶，形成主動式MIM 超表面[55]，即：共振波長在液晶折射率改變下移動而產(chǎn)生的相位變化，結合高Q 值共振的低輻射損耗特性，能夠提供大范圍、高效的純相位調(diào)制。選取無外加偏壓和外加飽和偏壓的0、1 兩種狀態(tài)提供2 臺階相位，作者利用此1-bit透射式可編程超表面在太赫茲波段仿真實現(xiàn)了雙光束偏轉(zhuǎn)、多光束分束以及生成不同拓撲荷渦旋光等功能，并通過實驗驗證了雙光束偏轉(zhuǎn)方案，最大轉(zhuǎn)向角度達到30°。此項工作加快了超表面應用于太赫茲傳感、無線通信等領域的步伐。

圖 11 基于電控液晶的超表面共振特性調(diào)節(jié)Fig.11 Resonance characteristics modulation of metasurface based on electronic-controlled liquid crystal

2017年，Andrei Komar 等人通過施加0～70 V、1 kHz 的交流偏置電壓，在通信波段實現(xiàn)了電介質(zhì)米氏共振超表面共振光譜的動態(tài)調(diào)節(jié)[56]，其中電共振移動29 nm、磁共振移動55 nm。對于1 550 nm的工作波長，實測透過率調(diào)制量達到75%，并附帶有接近π 的相位變化，如圖11(c)所示。2019年，Chengjun Zou 等人在可見光波段同樣展示了液晶基米氏共振超表面的電控透射率調(diào)制能力[57]，在669 nm 波長處調(diào)制量可達到53%。將液晶超表面的上層電極刻制成“FSU-ANU”字樣，外加電壓在0～20 V 范圍內(nèi)逐漸增大時，字母處透射率降低、顏色變暗，如圖11(d)，從而實現(xiàn)動態(tài)顯示功能。值得注意的是，考慮到取向?qū)蛹半妶龅挠绊?，液晶材料的晶軸方向應是高度和電壓的函數(shù)，因此作者在建模時對液晶進行了分層細化，獲得了更加接近于實際的仿真結果。同年，Mingyu Sun 等人則進一步討論得出超表面微納結構對于液晶分子取向的影響可以等效為一定量的面內(nèi)轉(zhuǎn)角整體偏移[58]，并通過精心選擇入射線偏光的偏振方向，將電介質(zhì)液晶超表面在660 nm～690 nm 波段的透射率調(diào)制量提升至65%。

對于電介質(zhì)超表面，納米圓柱可用波導理論分析，其中最低階的兩個傳輸模式就是電偶極子和磁偶極子模式。通過合理設置納米柱的高與截面半徑，可以支持兩種模式同時存在，甚至使電磁共振的波長重合。當電磁共振的振幅與相位也相同時，由于后向散射的相消干涉，透射光譜中表征共振的凹陷消失，可獲得接近于100%的理想透過率，類似于惠更斯提出的子波源的二次傳輸過程，因此這類超表面也被稱為“惠更斯超表面”。另外，得益于兩共振相位突變的疊加，惠更斯超表面是能夠提供2π 范圍純相位調(diào)制的理想器件。借助液晶使惠更斯超表面由被動變主動，2019年Shiqiang Li 等人在可見光波段展示了一維純相位液透射式液晶超表面空間光調(diào)制器[59]，并首次在實驗中實現(xiàn)了逐像素的尋址與控制。選取液晶分子面外取向為0°、45°和90° 3 種狀態(tài)提供3 臺階相位，每個像素中包含3 個納米柱單元，以適當擴大單個電極面積從而削弱相位展寬和邊緣電場效應。圖11(e)所示為該液晶超表面空間光調(diào)制器模擬閃耀光柵的意圖，以及未加液晶時超表面的電鏡照片。實驗測得，對于660 nm 的工作波長，光束偏轉(zhuǎn)效率最高可達36%，最大偏轉(zhuǎn)角11°。此工作為基于超表面的更小尺寸、更高分辨率、更大視場角、更快調(diào)制速率的空間光調(diào)制器奠定了實用化基礎。2021年，ShuangQi Zhu 等人仿真設計出類似結構的可重構2 臺階純相位液晶超表面，并討論其在電壓控制下的動態(tài)顯示潛力[60]。另外，結合優(yōu)化的相位恢復算法，作者基于此器件提出了信息容量和解密難度更高的光學加密方案。

同樣，除振幅與相位調(diào)制外，共振波長的動態(tài)移動也可以控制對入射光波的吸收，目前這類研究多聚焦于太赫茲波段。2014年，Rafa? Kowerdziej 等人率先展示了液晶基金屬超表面的吸收調(diào)制能力[61]，但300 V 的工作電壓使其應用受到很大限制。2017年，Lei Wang 等人進一步設計了基于MIM 結構的可調(diào)諧太赫茲吸收器[62]。超表面最上層為金十字形結構和多層多孔石墨烯組成的電極，兩臂不等長的微納結構單元賦予器件各向異性的光學響應以工作于多個模式，而石墨烯是制作太赫茲波段透明電極的最佳材料，兩者相結合，既保證了器件的功能性，也提升了電壓調(diào)制效率。當中間層液晶分子在外加電場作用下由水平偏轉(zhuǎn)至豎直方向時，吸收峰將發(fā)生紅移，從而在特定工作頻率下實現(xiàn)吸收幅度的動態(tài)調(diào)控，且僅需10 V 的飽和電壓就能使1 THz 入射光波的吸收率產(chǎn)生80%的變化。而2018年Shenghang Zhou 等人則利用電介質(zhì)硅超表面仿真驗證了相似的功能[63]，當液晶折射率由no增加至ne時，來源于米氏共振的吸收峰一分為二，在此過程中0.79 THz 光波的吸收率將下降47%。

除上述光波調(diào)制的常見應用外，通過液晶引起的共振變化，還可以用來實現(xiàn)增強基底的自發(fā)輻射[64]、二次諧波調(diào)制[65]等多種功能。

4 總結與展望

基于液晶的主動式超表面已經(jīng)取得了許多引人注目的研究成果，為微納光學器件的多功能化、動態(tài)化、實用化提供了獨特的解決方案，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。這一領域中，仍有許多挑戰(zhàn)需要面對、仍有許多有意義的問題等待進一步研究。在設計方面，微納結構表面能對液晶分子的牽引作用往往是造成仿真與實驗結果巨大差異的原因之一，James A.Dolan 等人詳細分析了超表面附近區(qū)域液晶分子的非均勻排布規(guī)律[66]，此項工作對于液晶超表面的設計有著重要的指導意義，而另一方面，將這一特性加以利用，超表面可在完成自身調(diào)控功能的同時作為液晶分子的取向?qū)覽29-30,67-68]，從而簡化系統(tǒng)結構。在性能提升方面，可考慮多重激勵手段相結合，例如Chengjun Zou 等人同時利用電壓和溫度控制液晶狀態(tài)，實現(xiàn)了偏振不敏感的透射調(diào)制、透射調(diào)制深度的控制，以及光學或非門[69]。理想狀態(tài)下，n種激勵可對應獲得2n種輸出，這將大大提高液晶超表面器件功能的集成度。利用更高Q 值共振、合成雙折射率更大的液晶材料等也有望進一步擴大器件的動態(tài)范圍。最后，在實用化方面，可見光波段高分辨率二維尋址方案一直難以突破，需要繼續(xù)探索和發(fā)展更先進的材料與工藝?？偠灾?，液晶超表面在傳感、顯示、探測、通信等諸多領域有著重要的研究價值，未來將具有更加廣闊的發(fā)展和應用空間。