高效超表面:原理、实现与应用

实现对不同波段电磁(光)波的自由调控一直是人类的梦想,这不仅具有重要的基础科研意义,而且在信息通讯,国防,能源等诸多领域有重大应用。解决这些应用需求的关键是如何在尽可能小的体系下实现对电磁波的自由而高效的调控。然而,自然材料光学参数(e 和 m)取值范围的有限性决定了传统光学器件通常需要较大的尺寸和曲面构型来实现不同的电磁波调控功能。因此,传统光学器件远远不能满足人们对小型化、多样化、高效率电磁波调控的应用需求。

超构材料(Metamaterials),这类由具有特定电磁特性的亚波长人工微结构(人工原子)按一定的排列方式构建而成的三维人工复合材料,展现出了对电磁波的强大调控能力,实现了自然材料无法企及的众多奇异物理现象和功能性器件,也部分解决了传统光学器件不能实现多样化调控电磁波的问题。然而基于三维金属结构构建的传统超构材料存在损耗高、加工难、不易集成等问题,这极大制约了超构材料的发展及应用。

最近,人们提出了超表面(Metasurfaces)的新概念—这是一类由一系列平面型人工原子按特定排列方式构建而成的二维超构材料。基于惠更斯原理,通过对平面内不同位置人工原子的精确设计,可使超表面具有任意的电磁波反射/透射相位分布,从而实现对电磁波波前的自由而高效的调控。人们基于超表面发现了许多新奇物理现象和新规律,并实现了一系列性能优越的电磁器件。相较传统三维超构材料,超表面具有低损耗、易集成、制备工艺简单等优势,这使其具有更广阔的应用前景,也使其成为了近年来物理学、信息学以及相关交叉学科的研究热点。

在这篇综述中,复旦大学周磊课题组以超表面对电磁波的调控效率为主线,系统介绍了相关重要研究成果和最新进展。文章首先以超表面领域开创性工作—“广义斯涅耳定律”为例介绍了超表面的基本工作原理,并指出了早期超表面低效问题的物理根源。接下来,文章系统介绍了如何利用结构共振超表面实现对线偏振反射/透射电磁波的高效调控,及如何利用几何相位超表面实现对圆偏振反射/透射电磁波的高效调控,重点关注基本物理原理及相关新奇现象。随后,文章简要总结了基于介质超表面实现高效电磁调控的原理及最新进展,重点关注介质超表面如何解决金属型超表面调控高频电磁波时遇到的效率瓶颈问题。紧接着,文章列举了超表面的几个重要应用,如偏振调控,全息成像,超透镜和表面波耦合器等。最后,团队围绕着超表面的新物理和新概念展望了该领域未来可能的几个发展方向及潜在应用,如可调超表面、多功能超表面、超表面相关新机理及其在国防信息等领域的潜在应用,等等。

相关论文在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201800415)上。第一作者为复旦大学物理学系何琼副教授。

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