键技术硏发取得的新进展。2018年央视《大国重 器》节目首次披露了中国首条超材料生产线,标志 着我国成为了世界上首个实现超材料量产的国家 3超表面 在过去的十多年中,超材料在微波波段的研 究较为广泛,包括负折射、光学隐身等现象都是 首先在微波波段被实现。而在光波波段,由于超 材料结构精细,致使其加工与制备不仅复杂而且 需要很高的成本,这非常不利于超材料的实际应 用。此外,金属材料在超材料设计中被广泛使 用,金属本身在光波段高损耗和高色散的特点mm 也限制了所设计超材料的工作效率和带宽。在光 波波段,相比于超材料而言,平面人工光学微结 构由于其相对易于加工制备,且在与光波相互作 用过程中损耗较低,因此受到了广泛关注和研 究。由于平面人工光学微结构的厚度远远小于其 工作波长,因此可以被看作是超材料的二维对 应,故而人们将其命名为超表面( Metasurfaces) 2011年,哈佛大学F. Capasso教授及其硏究团队 利用具有不同结构参数的V字纳米金属天线在亚 波长尺度下实现了对线偏振光波相位从0到2π的 图2基于超材料的微波波段电磁波隐身斗篷"(a)电磁波隐 身斗篷样品;(b)电磁波隐身斗篷实现隐身功能的模拟示意图 调控,该工作被认为是超表面研究领域的开山之 作。在该工作中,他们还提出了广义斯涅耳定 律,通过引入具有不同结构参数的V字纳米金属 天线构成相位梯度表面,成功实现了对透射光波 波前的操控,如图3所示。这一结果第一次让人 (b) 们意识到超表面可以在亚波长尺度下实现对光波 8./LLL、F厂rg 相位的有效控制,从而控制光波的波前。2012 年,英国伯明翰大学X.Chen等人进一步将几何 相位原理应用于超表面的设计中,仅通过对超表 面基本结构单元的简单旋转就实现了对圆偏振光 场相位在亚波长尺度下的有效控制。超表面可 08r437872 以对光波相位在亚波长尺度下进行有效控制这 图3由V字纳米金属天线阵列组成的超表面(a)超表面 特点,使得其在之后的研究中被广泛用于包括光样品在扫描电子显微镜下的俯视图;(b)利用超表面在亚波 聚焦、全息成像、矢量光束生成、光子自选轨道 长尺度下控制光波相位实现光波波前控制的示意图 耦合等在内的多个领域。此外,随着超表面领域超表面分别实现对光波振幅、相位、偏振和频率 相关研究近年来的不断开展,人们已经可以利用的有效控制,相关研究为微纳集成光学器件的实· 48卷 (2019 年) 4 期 键技术研发取得的新进展。2018年央视《大国重 器》节目首次披露了中国首条超材料生产线，标志 着我国成为了世界上首个实现超材料量产的国家。 3 超表面 在过去的十多年中，超材料在微波波段的研 究较为广泛，包括负折射、光学隐身等现象都是 首先在微波波段被实现。而在光波波段，由于超 材料结构精细，致使其加工与制备不仅复杂而且 需要很高的成本，这非常不利于超材料的实际应 用。此外，金属材料在超材料设计中被广泛使 用，金属本身在光波波段高损耗和高色散的特点 也限制了所设计超材料的工作效率和带宽。在光 波波段，相比于超材料而言，平面人工光学微结 构由于其相对易于加工制备，且在与光波相互作 用过程中损耗较低，因此受到了广泛关注和研 究。由于平面人工光学微结构的厚度远远小于其 工作波长，因此可以被看作是超材料的二维对 应，故而人们将其命名为超表面(Metasurfaces)。 2011 年，哈佛大学 F. Capasso 教授及其研究团队 利用具有不同结构参数的V字纳米金属天线在亚 波长尺度下实现了对线偏振光波相位从0到2π的 调控，该工作被认为是超表面研究领域的开山之 作[10] 。在该工作中，他们还提出了广义斯涅耳定 律，通过引入具有不同结构参数的V字纳米金属 天线构成相位梯度表面，成功实现了对透射光波 波前的操控，如图3所示。这一结果第一次让人 们意识到超表面可以在亚波长尺度下实现对光波 相位的有效控制，从而控制光波的波前。2012 年，英国伯明翰大学 X. Chen 等人进一步将几何 相位原理应用于超表面的设计中，仅通过对超表 面基本结构单元的简单旋转就实现了对圆偏振光 场相位在亚波长尺度下的有效控制[11] 。超表面可 以对光波相位在亚波长尺度下进行有效控制这一 特点，使得其在之后的研究中被广泛用于包括光 聚焦、全息成像、矢量光束生成、光子自选轨道 耦合等在内的多个领域。此外，随着超表面领域 相关研究近年来的不断开展，人们已经可以利用 超表面分别实现对光波振幅、相位、偏振和频率 的有效控制，相关研究为微纳集成光学器件的实 图2 基于超材料的微波波段电磁波隐身斗篷[9] (a)电磁波隐 身斗篷样品；(b)电磁波隐身斗篷实现隐身功能的模拟示意图 图3 由 V字纳米金属天线阵列组成的超表面[10] (a)超表面 样品在扫描电子显微镜下的俯视图；(b)利用超表面在亚波 长尺度下控制光波相位实现光波波前控制的示意图 · 223 ·