摘 要 作為超構(gòu)材料的二維表現(xiàn)，超構(gòu)表面是由亞波長(zhǎng)尺度的原子結(jié)構(gòu)組成的，利用單層或多層結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的相位、傳播方向及物理作用機(jī)制的調(diào)節(jié)。本文采用廣義斯涅爾定律描述界面處引入的相位突變對(duì)電磁波折射特性的影響，并結(jié)合等離子體基模波導(dǎo)理論和龐加萊球模型研究了超構(gòu)表面相位的傳輸機(jī)制。同時(shí)，本文以金二氧化硅金波導(dǎo)和平面超構(gòu)透鏡為例，分別介紹了傳輸相位和幾何相位的應(yīng)用，并對(duì)傳輸相位和幾何相位在應(yīng)用中遇到的困難提出一些解決辦法。

關(guān)鍵詞 傳輸相位;幾何相位;超構(gòu)表面;超構(gòu)透鏡

關(guān)于超構(gòu)材料的歷史最早可以追溯到1968年左手材料概念的提出。直到1999年，英國(guó)科學(xué)家J. Pendry提出了金屬開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)（可以說(shuō)是最早的超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)單元），并利用了磁共振的原理從真正意義上實(shí)現(xiàn)了負(fù)磁導(dǎo)率（在1996年就已經(jīng)提出了負(fù)介電常數(shù)的概念）[1]。不同于右手材料遵循的右手定則，左手材料具有磁導(dǎo)率和介電常數(shù)同時(shí)為負(fù)數(shù)的特性，憑借這一強(qiáng)大特性，左手材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于天線(xiàn)、激光和完美透鏡（與下文中的超構(gòu)透鏡相聯(lián)系）等領(lǐng)域。起初，人們對(duì)于超構(gòu)材料的構(gòu)想僅僅停留在均勻介質(zhì)當(dāng)中，但如今已經(jīng)可以通過(guò)各種變換手段實(shí)現(xiàn)對(duì)不均勻介質(zhì)（異質(zhì)表面）中電磁波的調(diào)控，并且隨著科技水平的不斷提高，超構(gòu)材料的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大[2，3]。目前，超構(gòu)材料已經(jīng)在超分辨率成像和光刻、電磁隱身和電磁幻象等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值[3，4]。然而，體超構(gòu)材料的三維加工和金屬損耗問(wèn)題（尤其在光波段）嚴(yán)重限制了其應(yīng)用的進(jìn)一步拓展，并且應(yīng)用于高頻波段下的超構(gòu)材料難以制作且不穩(wěn)定，此外，常見(jiàn)的金屬會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收，這都使得基于體超構(gòu)材料的相關(guān)器件難以加工。如果能夠?qū)⑷S超構(gòu)材料壓縮到二維超構(gòu)表面，則有望解決以上問(wèn)題?；谠撍枷?，近年來(lái)形成了新興的研究領(lǐng)域———超構(gòu)表面。作為超構(gòu)材料的二維表現(xiàn)，超構(gòu)表面的核心在于人工亞波長(zhǎng)大小的原子周期性排列，并且打破了傳統(tǒng)斯涅爾定律對(duì)空間平移不變性的依賴(lài)。超構(gòu)表面的原理是依靠電磁波在具有周期結(jié)構(gòu)表面上的相位突變（而非相位累積），并且利用單層或少層的人造周期結(jié)構(gòu)對(duì)散射場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控。超構(gòu)表面突破了傳統(tǒng)三維材料的限制，主要應(yīng)用于微納米光學(xué)領(lǐng)域的研究，例如，超構(gòu)透鏡、全息、信息加密、生物傳感、紅外熱成像等[4]。

本文主要介紹超構(gòu)表面的工作原理———廣義斯涅爾定律，以金屬絕緣體金屬波導(dǎo)為例進(jìn)行具體說(shuō)明，并針對(duì)超構(gòu)表面的缺點(diǎn)提出了一些解決方案。