超表面研究进展

摘要： 超表面是一种基于广义斯涅尔定律， 通过控制波前相位、 振幅以及偏振进行电磁/光学波束调控的新结构， 其新颖的机制和灵活的结构设计展现出广阔的应用前景。 本文阐明了超表面调控波束的物理机理， 叙述超表面的发展历程， 即从实现超表面到提高有效分量和动态可调超表面的研究过程， 总结了超表面透镜、 超表面偏振器、 表面等离子体激元调控等功能器件， 并对超表面有待解决的问题以及今后的发展趋势进行了探讨。

关键词： 超表面； 波束调控； 广义斯涅尔定律； 超表面器件

中图分类号： TN95； O441 文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）01-0028-07

Abstract： Metasurface is a new ultrathin components which based on generalized Snell’s Law to manipulate electromagnetic （EM） and light beam in the phase， amplitude and polarization. It shows broad application prospects due to its novel mechanism and flexible design. This review focuses on the physical mechanism of metasurfacecontrol beams and the development of metasurface including the original metasurface， the method to increase anomalous coefficient of reflection and transmission， and tunable metasurface components. Subsequently， this review introduces ultrathin flat lenses， metasurface polarizer， unidirectional excitation of surface plasmon polariton and others metasurface devices. At last， challenges and prospectives on metasurface are also discussed.

Key words： metasurface； beam regulation； generalized Snell’s Law； metasurface device

0引言

雷达作为战争之眼， 担负着对敌目标预警、 探测、 追踪、 定位等战略和战术任务， 雷达性能在很大程度上决定了战争进度， 是现代战争系统中最重要的环节之一。 随着新形势下军事斗争形态的日新月异， 雷达导引系统新体制、 新技术的开发需求也日益迫切。 传统的机载、 弹载雷达采用机械扫描的方式对目标进行探测、 定位， 雷达波束偏转需

要机械转动装置的辅助。 然而， 飞机、 导弹等航空

武器有限的空间直接制约了雷达天线扫描视角的范围， 且机械转动时间的消耗也带来了雷达天线目标搜索时间过长， 跟踪快速移动目标困难等问题。 另一方面， 相控阵雷达采用隔离器作为移相器可实现电扫描， 具有扫描范围大、 扫描时间短、 定位精确等优点， 但是， 相应的相位控制单元的数量多， 体积庞大， 无法适应航空器特别是弹载雷达的载重需要， 且造价昂贵， 不适宜在消耗量巨大的精确制导武器中应用。 因此， 探索电磁波/光波波束可控的新方法成为了当务之急。

另外， 基于人工微结构的电磁超材料由于可以表现出传统天然材料不具有的电磁/光学特性如负折射， 及其任意调控电磁参数的奇异特性受到电磁、 物理及材料等领域学者的重视。 通过人工精巧设计的超材料构建空间折射率渐变， 可以实现波束的偏转[1]。

这种人工变折射率材料依据结构单元的电磁谐振性质与结构参数的敏感关系， 建立折射率和几何参数的数值关系， 通过相位累计效应， 实现变折射率器件。 但是， 由于这种设计理念存在出射波振幅难以保持一致、 设计灵活度差、 相位累计效应要求器件体积大等诸多缺点， 使得这种人工变折射率材料的发展进入瓶颈期。 后来， 人们通过探索相位累计效应以外的新机理实现波束偏转， 超表面便应运而生。

超表面是一种通过控制波前相位、 振幅以及偏振进行波束调控的新结构， 在其最初研究者虞南方的论文[2]中被定义为“能够使一束光在自由空间波长范围内产生相位、 振幅及偏振突变效应的超薄平面光学元件”， 超表面具有以下三个特点：

（1） 超表面面对波前相位作用远大于累计作用；

（2） 满足亚波长条件， 一般基于光学散射体设计；

（3） 单元设计灵活， 可以通过结构设计达到阻抗匹配， 增大透射率。

可以看出， 超表面具有完全不同于传统人工变折射率材料的波束调控机理， 具有设计灵活、 物理内涵丰富等诸多优点， 再次掀起波束调控的研究热潮， 从而促进了超表面各种新颖物理图像的研究。

1超表面理论基础

基于广义斯涅尔定律， 超表面利用相位突变的梯度进行波束调控， 实现反常折射和反常反射如图1所示[3]。 入射角为θi的入射光经存在相位突变梯度的超表面时， 反射角为θr（θr≠θi）的反射光线和折射角为θt的折射光线（反射角和折射角不满足普通折射定理）。

以推导广义折射定理为例， 如图2所示[4]， 在界面上有相位突变量Φ， 并且Φ在x方向以一定梯度分布。 根据费马原理， 两点之间实际光线的相移取极值。 这是一个泛函极值问题， 在特殊情况下， 可转化为普通函数的极值问题。 从A点出发的光线经过界面处不同位置D， E到达B点可以获得相同相移， 即光线经ADB和AEB两种路径的相移之差为0， 表示为

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