柏 林 張信歌 蔣衛(wèi)祥 崔鐵軍

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210096)

1 引言

自然界現(xiàn)有的材料很難滿足人類(lèi)自由靈活地操控電磁波的愿望，尤其是在千兆赫茲、太赫茲和光波等高頻段。此需求促使了電磁超材料這個(gè)新物理領(lǐng)域的出現(xiàn)。超材料是一種由周期或非周期排列的亞波長(zhǎng)單元組成的人工結(jié)構(gòu)，具有許多自然界材料所不具備的特殊性質(zhì)[1]。通過(guò)設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)的幾何形狀和排列方式，可以隨意調(diào)控其電磁參數(shù)，實(shí)現(xiàn)一些奇異功能，例如負(fù)折射率[2]、隱身[3–10]、完美透鏡[11,12]和全息成像[13–16]等。超表面作為超材料的二維特殊形式[17]，相比而言具有低損耗、超薄、低成本、加工簡(jiǎn)便和易于集成等優(yōu)點(diǎn)。超材料和超表面還進(jìn)一步拓展到聲學(xué)[18–21]、光學(xué)[22–25]、熱力學(xué)[26–29]等領(lǐng)域，相關(guān)研究成果層出不窮。

上述工作大多數(shù)都是不可動(dòng)態(tài)調(diào)控的無(wú)源超材料(超表面)，其功能和特性在加工完成后便已固化。為克服無(wú)源超材料的局限性，研究人員對(duì)有源超材料進(jìn)行了廣泛研究，通過(guò)外部激勵(lì)來(lái)動(dòng)態(tài)改變超材料的電磁特性。目前，常用的控制手段包括電控[30–32]、溫控[33–35]、機(jī)械控制[36–38]和光控[39–68]等。精心設(shè)計(jì)的有源超材料不僅可以改變工作頻率，拓寬工作帶寬，還能實(shí)現(xiàn)多功能切換，產(chǎn)生復(fù)雜形狀的波束，特別是可編程超材料，能夠在單一平臺(tái)上完成對(duì)電磁波的實(shí)時(shí)調(diào)控[30]?？烧{(diào)超材料的出現(xiàn)解決了實(shí)際應(yīng)用方面的迫切需求，推動(dòng)了該領(lǐng)域的快速發(fā)展，成為超材料研究的前沿。

現(xiàn)有的控制方法中，電控一般需要大量導(dǎo)線、外部電源和復(fù)雜的控制電路為超材料提供直流控制信號(hào)。一般而言，外部電源和控制電路需要通過(guò)導(dǎo)線與超材料相連，這將增加系統(tǒng)的體積，甚至帶來(lái)直流和電磁信號(hào)間的串?dāng)_。溫控對(duì)工作環(huán)境的要求很高，改變溫度需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和能源，轉(zhuǎn)換效率較低，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)控，并且溫度調(diào)控僅適用于對(duì)超材料進(jìn)行整體調(diào)控，可編程性受到限制，可調(diào)功能有限。機(jī)械控制的方式同樣需要大量導(dǎo)線和復(fù)雜外部控制設(shè)備，成本較高，系統(tǒng)體積較大，并且機(jī)械調(diào)節(jié)方式也難以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)控。相比而言，光控的調(diào)制速度比溫控、機(jī)械控快，具有超快調(diào)制速度和開(kāi)關(guān)能力；同時(shí)光控方式無(wú)需大量物理導(dǎo)線連接和額外控制電路，外部光源既可以充當(dāng)電壓源又可以充當(dāng)控制器，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)接觸式調(diào)控，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)動(dòng)態(tài)超表面一個(gè)重要的研究方向。

本文結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)概述光控電磁超材料的研究進(jìn)展，按照直流(2.1節(jié))、微波(2.2節(jié))、太赫茲(2.3節(jié))和可見(jiàn)光(2.4節(jié))4個(gè)不同工作頻段分別介紹了現(xiàn)有幾個(gè)光控超材料和超表面工作，并重點(diǎn)介紹它們的工作機(jī)制和應(yīng)用場(chǎng)景。最后在第3節(jié)對(duì)光控超材料領(lǐng)域進(jìn)行總結(jié)和展望。

2 光控電磁超材料與超表面

不同工作頻段的光控有源超材料需根據(jù)頻段自身的特點(diǎn)，選擇不同調(diào)控方法。在直流情況下，通常使用的光調(diào)制器件是光敏電阻，照射光強(qiáng)改變時(shí)光敏電阻的阻值會(huì)發(fā)生變化，而變?nèi)荻O管和“正-本征-負(fù)”(Positive-Intrinsic-Negative,PIN)二極管等微波器件則不適用于直流頻段。同樣在太赫茲頻段，變?nèi)荻O管和PIN二極管等微波器件的損耗變大，且較大體積也不適用于太赫茲的單元設(shè)計(jì)，而半導(dǎo)體硅、砷化鎵、鍺和金屬氧化物二氧化釩(VO2)等材料的介電常數(shù)可以通過(guò)改變照射光強(qiáng)來(lái)調(diào)控。光頻段常用的光調(diào)控材料包括透明導(dǎo)電氧化物、二維材料、相變材料、硅和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料等，除此之外還存在利用兩束相干光束相互作用的調(diào)控方法。在微波頻段，變?nèi)荻O管和PIN二極管本身并不具有光控特性，它們是通過(guò)改變直流偏壓來(lái)調(diào)控的。為了實(shí)現(xiàn)光控，需要添加光電二極管為變?nèi)荻O管或PIN二極管提供直流偏壓，光電二極管所產(chǎn)生的電壓會(huì)隨著照射光強(qiáng)的增加而增加。本文將按照直流、微波和太赫茲的順序?qū)饪爻牧线M(jìn)行總結(jié)和概述。

2.1 光控變換靜電學(xué)超材料

2006年，Pendry等人[3]提出了基于超材料的變換光學(xué)概念，其原理是利用麥克斯韋方程組的形式不變性，對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行坐標(biāo)變換。變換光學(xué)為任意調(diào)控電磁場(chǎng)提供了一種全新方法，廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)隱身斗篷[4–10]、電磁波集中器[69,70]、電磁波旋轉(zhuǎn)器[71]等。2012年，東南大學(xué)與蘭州大學(xué)研究者[72]合作實(shí)現(xiàn)了一種利用電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的直流場(chǎng)隱形斗篷(圖1(a))，將變換光學(xué)的理論引入靜電場(chǎng)或恒流場(chǎng)，稱為變換靜電學(xué)。但上述隱身斗篷是無(wú)源的，只能對(duì)特定形狀的物體進(jìn)行隱身，且隱身效果不能改變。2013年，東南大學(xué)與蘭州大學(xué)研究者[73]又合作設(shè)計(jì)了有源直流隱身衣(圖1(b))，通過(guò)改變邊界處的電壓分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物體的隱身或幻象。d

圖1 變換靜電學(xué)超材料Fig.1 Transformation direct-current metamaterials

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直流隱身衣的遠(yuǎn)程無(wú)接觸式調(diào)控，2015年，文獻(xiàn)[39]利用光敏電阻設(shè)計(jì)了一種根據(jù)照射光強(qiáng)度調(diào)控的多功能變換靜電學(xué)超材料，如圖1(c)所示。當(dāng)外部光源為關(guān)狀態(tài)時(shí)，超材料是一個(gè)直流隱身斗篷，預(yù)先設(shè)計(jì)好的電阻網(wǎng)絡(luò)可以恢復(fù)等電位線，使位于中心區(qū)域的物體不可見(jiàn)。當(dāng)外部光源為開(kāi)狀態(tài)時(shí)，超材料變成一個(gè)可調(diào)的靜電幻象設(shè)備，調(diào)節(jié)照射光的強(qiáng)度，被感知的虛擬物體大小和材料屬性隨之相應(yīng)改變。其設(shè)計(jì)原理首先是根據(jù)變換光學(xué)理論設(shè)計(jì)隱身衣的電阻網(wǎng)絡(luò)，然后在普通電阻上并聯(lián)光敏電阻。光敏電阻的阻值隨照射光強(qiáng)而改變，虛擬空間的幻象物體可以通過(guò)照射光強(qiáng)來(lái)遠(yuǎn)程調(diào)控。圖1(c)是用印刷電路板和電阻網(wǎng)絡(luò)加工得到的實(shí)物圖，測(cè)試和仿真的電位分布結(jié)果如圖1(d)—圖1(g)所示。當(dāng)照射光關(guān)閉時(shí)，超材料是一個(gè)直流隱身斗篷，設(shè)備外等電位線分布如圖1(d)，與圖1(e)仿真得到的沒(méi)有物體的均勻空間結(jié)果基本一致。當(dāng)照射光打開(kāi)時(shí)，超材料是一個(gè)可調(diào)的靜電幻象設(shè)備，圖1(f)是照射光強(qiáng)為11000 lm，對(duì)應(yīng)光敏電阻為114 Ω時(shí)的測(cè)試結(jié)果，圖1(g)是對(duì)應(yīng)的幻象物體的仿真結(jié)果，與圖1(f)設(shè)備外的等電位線分布基本一致。該設(shè)計(jì)驗(yàn)證了利用外部光源遠(yuǎn)程調(diào)控變換靜電學(xué)設(shè)備的可行性，未來(lái)有望拓展到其他遠(yuǎn)程調(diào)控的多功能設(shè)備中。

2.2 光控微波超材料與超表面

圖2 SRR結(jié)構(gòu)的光控超材料Fig.2 Light-controlled metamaterials with SRR structures

在微波頻段，加載變?nèi)荻O管的開(kāi)口諧振環(huán)(Split-Ring Resonator,SRR)是一種典型的可調(diào)非線性單元結(jié)構(gòu)，可以用來(lái)設(shè)計(jì)可調(diào)磁諧振超材料，實(shí)現(xiàn)功率誘導(dǎo)的波束調(diào)控。2011年，Kapitanova等人[40]提出了一種新型可調(diào)超材料，可以通過(guò)外部光源，對(duì)超材料進(jìn)行寫(xiě)入和擦除的特定功能(圖2(a))。這里使用了兩層SRR的耦合結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)明暗模式之間的諧振響應(yīng)，光電二極管為變?nèi)荻O管提供偏壓，因此改變光照強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)SRR的磁諧振。由圖2(b)可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度從0 lx增加到4000 lx，SRR的諧振頻率從2.20 GHz變化到2.23 GHz，證明了單元的諧振頻率與光強(qiáng)相關(guān)。該工作結(jié)合光電二極管和變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)光控的方法，為微波頻段光控超材料的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。但該設(shè)計(jì)的光強(qiáng)是對(duì)超材料進(jìn)行整體調(diào)控，只能對(duì)諧振頻率進(jìn)行微調(diào)，距離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)。于是該課題組Shadrivov等人[41]又設(shè)計(jì)了一種用一排發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)控制SRR的超材料，每個(gè)LED可以獨(dú)立連續(xù)地控制一個(gè)超材料單元，通過(guò)改變LED的光照?qǐng)D案，超材料的反射特性也隨之改變。該工作中同樣是使用光電二極管為變?nèi)荻O管供電，隨著光照強(qiáng)度增加，光電二極管產(chǎn)生的偏置電壓增加，SRR發(fā)生相位偏移，由此實(shí)現(xiàn)了波束偏折、聚焦(圖2(d))和發(fā)散(圖2(e))等功能。值得注意的是，該工作中每個(gè)超材料單元可以通過(guò)光照強(qiáng)度獨(dú)立調(diào)控，是光控多功能超材料的雛形，可實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜功能。

傳統(tǒng)超材料一直圍繞等效媒質(zhì)理論設(shè)計(jì)，其連續(xù)的特性被歸類(lèi)為“模擬超材料”。2014年，東南大學(xué)Cui等人[30]從信息科學(xué)角度研究超材料，摒棄等效媒質(zhì)的表征方法，創(chuàng)造性地提出用數(shù)字編碼來(lái)表征超材料的新思想。數(shù)字編碼超材料可以用二進(jìn)制比特?cái)?shù)來(lái)量化相位響應(yīng)為0～2π的單元，N比特超材料或超表面需要2N個(gè)離散相位來(lái)表征單元的特性。例如，最簡(jiǎn)單的1比特編碼超表面的單元具有兩個(gè)離散的相位狀態(tài)，相位相差180°，用數(shù)字“0”和“1”表示。采用編碼超材料的機(jī)制，可以更靈活地調(diào)控電磁波的不同特性，具有良好的自主設(shè)計(jì)性。

2018年，文獻(xiàn)[42]將光控方法與編碼超表面結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種1比特光控?cái)?shù)字編碼超表面，通過(guò)控制光源的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)反射波為主波束和兩波束兩種功能的切換(圖3(a))。如圖3(b)所示，超表面是由6×6個(gè)超級(jí)子單元組成的，每個(gè)超級(jí)子單元又包括6×6個(gè)數(shù)字單元，每個(gè)數(shù)字單元的縫隙中都集成了一個(gè)變?nèi)荻O管，一個(gè)超級(jí)子單元中的所有數(shù)字單元共享相同的偏置電壓，具有相同的相位響應(yīng)。超表面左側(cè)固定了一排PIN硅光電池為超表面提供電壓，光源部分是由一排LED并聯(lián)組成的，通過(guò)控制照射在硅光電池上的LED的光強(qiáng)，硅光電池產(chǎn)生的直流偏壓也相應(yīng)改變。為了降低成本、簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，文章中選用兩種編碼序列“000000”和“010101”來(lái)證明光控?cái)?shù)字編碼超表面的可行性。將超表面第2,4,6列超級(jí)子單元與硅光電池相連，控制光源的開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)兩種不同的反射波束。該工作解決了傳統(tǒng)可調(diào)編碼超表面饋線復(fù)雜問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼超表面遠(yuǎn)程的多功能調(diào)控。

但由于光源陣列和超表面設(shè)計(jì)的限制，文獻(xiàn)[42]中的超表面是窄帶的，且只能在整體或者一維方向進(jìn)行調(diào)控，僅實(shí)現(xiàn)了兩種功能的切換，大大限制了可調(diào)編碼超表面的可編程性。伴隨著無(wú)線通信十年一代的發(fā)展更新和電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，設(shè)計(jì)高集成化、寬帶、多任務(wù)并行處理且具有強(qiáng)可編程能力的通信系統(tǒng)和電磁器件成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。2020年，文獻(xiàn)[43]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種寬帶的光驅(qū)動(dòng)可編程數(shù)字編碼超表面(圖4(a))，大規(guī)模光源陣列可對(duì)電磁功能進(jìn)行編程，解決了傳統(tǒng)多通道電控超表面需要大量的導(dǎo)線和復(fù)雜的控制器帶來(lái)的困擾，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了非接觸式遠(yuǎn)程的光控方式。該工作精心設(shè)計(jì)了一個(gè)基于變?nèi)莨艿膶拵С砻鎲卧?×4個(gè)超表面單元組成一個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列背后都集成了一個(gè)基于硅光電池的光傳感網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)超表面包含6×6個(gè)子陣列，36個(gè)光傳感網(wǎng)絡(luò)相對(duì)獨(dú)立，可單獨(dú)控制。為了遠(yuǎn)程調(diào)控所加工的光驅(qū)動(dòng)可編程平臺(tái)，研究者還設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)包含6×6個(gè)聚光燈的光源陣列，設(shè)計(jì)的光傳感網(wǎng)絡(luò)能夠接收不同強(qiáng)度的可見(jiàn)光，然后產(chǎn)生不同的偏置電壓，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)控超表面的微波反射相位。實(shí)驗(yàn)在微波暗室中進(jìn)行，如圖4(b)所示，不同的光照?qǐng)D案照射在數(shù)字平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了微波外部隱身、電磁幻覺(jué)和動(dòng)態(tài)渦旋波束調(diào)控等功能，數(shù)值仿真結(jié)果(圖4(c)—圖4(e))與實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4(f)—圖4(h))都驗(yàn)證了該平臺(tái)的可編程性。由于集成的光傳感網(wǎng)絡(luò)既能充當(dāng)外部直流電源，也能充當(dāng)控制器，因此與傳統(tǒng)的包含外部電源、大量導(dǎo)線和控制器的電控超表面相比，所研制的光驅(qū)動(dòng)可編程數(shù)字超表面平臺(tái)具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊且可無(wú)線遠(yuǎn)程調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。該工作成為光信號(hào)與微波信號(hào)轉(zhuǎn)換的橋梁，為未來(lái)發(fā)展光電混合器件和可見(jiàn)光微波融合通信系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 1比特光控?cái)?shù)字編碼超表面[42]Fig.3 1-bit light-controlled digital coding metasurface[42]

圖4 光驅(qū)動(dòng)可編程數(shù)字編碼超表面[43]Fig.4 Light-driven digital metasurface for programming electromagnetic functions[43]

現(xiàn)有編碼超表面基本上都是反射式，且編碼方式都是基于電磁波的相位響應(yīng)[15,30,42,43,74,75]。除相位響應(yīng)之外，幅度響應(yīng)也是電磁波的一個(gè)重要性質(zhì)，例如頻率選擇表面[76–79]、吸波器[80–82]、天線罩[83,84]、低副瓣天線[85,86]等設(shè)備都是利用了對(duì)幅度的調(diào)制。2018年，文獻(xiàn)[44]設(shè)計(jì)了一種透射式光控編碼超表面，通過(guò)調(diào)節(jié)照射光的強(qiáng)度和入射波頻率，編碼超表面的透射狀態(tài)可以自由切換。圖5(a)是所提出的透射式光控編碼超表面的數(shù)字單元，其上表面金屬層中有一個(gè)圓環(huán)縫隙，一個(gè)變?nèi)荻O管加載在縫隙上連接內(nèi)外金屬片，PIN硅光電池陣列為數(shù)字單元提供直流偏壓。當(dāng)變?nèi)荻O管的電容值分別為2.67 pF和0.63 pF時(shí)，數(shù)字單元透射系數(shù)S21的幅值如圖5(b)所示，可以觀察到單元有兩個(gè)諧振模式(i)和(ii)，圖中橙色區(qū)域代表數(shù)字單元的兩個(gè)工作頻段。這里定義透射幅度低于–13 dB為“0”單元，透射幅度高于–1 dB為“1”單元。為了驗(yàn)證透射式幅度可調(diào)超表面的可行性，該工作對(duì)超表面進(jìn)行了加工測(cè)試，樣品實(shí)物圖如圖5(c)所示。以列控編碼為例，在第1工作頻段編碼序列為“01010”(圖5(d))，而在第2工作頻段編碼序列切換為相反狀態(tài)“10101”(圖5(e))，展現(xiàn)了完美的幅度可調(diào)特性。這個(gè)透射式光控超表面從一個(gè)新的角度設(shè)計(jì)編碼超表面，豐富了光控超表面的功能和應(yīng)用場(chǎng)景，未來(lái)可用于實(shí)現(xiàn)高性能透波調(diào)控器件。

圖5 透射式光控編碼超表面[44]Fig.5 Light-controlled transmission-type digital coding metasurface[44]

與可見(jiàn)光調(diào)控機(jī)制相比，紅外調(diào)控方法具有更長(zhǎng)的遠(yuǎn)程控制距離和更高的能源效率，并且紅外線是不可見(jiàn)光，可以更有效地避免環(huán)境光的影響。2020年，文獻(xiàn)[45]將紅外傳感器引入可編程超表面，設(shè)計(jì)了一種紅外調(diào)控可編程超表面，利用紅外線和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)實(shí)時(shí)調(diào)控超表面波束分裂和波束掃描的功能。如圖6所示，紅外接收模塊、FPGA控制器和可編程超表面連接在一起。研究者首先將預(yù)先設(shè)計(jì)好的編碼序列儲(chǔ)存在FPGA中，然后利用紅外線動(dòng)態(tài)選擇所需的編碼序列，F(xiàn)PGA將直流控制信號(hào)傳輸?shù)匠砻?，調(diào)控超表面的反射相位。為了簡(jiǎn)化控制電路，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用了列控的方法。編碼序列為“00000000”時(shí)超表面沒(méi)有發(fā)生相位變化，產(chǎn)生鏡面反射；對(duì)于兩個(gè)交替編碼序列“01010101”和“00110011”，超表面分裂成兩個(gè)對(duì)稱的波束，這兩個(gè)編碼序列對(duì)應(yīng)的波分裂波束方向不同，產(chǎn)生了波束掃描效應(yīng)。

2.3 光控太赫茲超材料與超表面

圖6 紅外調(diào)控的可編程超表面的功能示意圖[45]Fig.6 Illustration of the infrared-controlled programmable metasurface[45]

電磁誘導(dǎo)透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)是發(fā)生在三能級(jí)原子體系中的量子干涉效應(yīng)，表現(xiàn)為當(dāng)兩束電磁波照射到某種不透明介質(zhì)上時(shí)，在寬帶吸收譜內(nèi)出現(xiàn)了窄帶的透明窗口，介質(zhì)不再吸收能量[87]。該效應(yīng)可以有效改變介質(zhì)的色散特性，為設(shè)計(jì)慢光器件、超靈敏傳感器件、非線性器件等開(kāi)辟了新的途徑。在太赫茲頻段，EIT效應(yīng)可廣泛應(yīng)用于太赫茲諧振器和吸波器，豐富了EIT在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)的研究。近年來(lái)，由于超材料具有設(shè)計(jì)靈活、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，利用超材料實(shí)現(xiàn)EIT效應(yīng)成為研究熱點(diǎn)。設(shè)計(jì)EIT超材料的一個(gè)經(jīng)典結(jié)構(gòu)是由金屬短線(Cut Wire,CW)和SRR組成的，利用兩種結(jié)構(gòu)之間的近場(chǎng)耦合產(chǎn)生EIT效應(yīng)。但傳統(tǒng)的EIT超材料存在透射帶寬較窄、透射頻點(diǎn)和透射率固定等缺點(diǎn)，限制了EIT超材料的實(shí)際應(yīng)用?；谏鲜霰尘?，2012年，文獻(xiàn)[46]提出了一種在單元結(jié)構(gòu)中嵌入光敏材料硅的光控EIT超材料，如圖7(a)所示，由兩個(gè)方形SRR和一個(gè)CW組成。隨著光照強(qiáng)度的增加，半導(dǎo)體硅的電導(dǎo)率相應(yīng)增加，從而改變單元的透射幅度，實(shí)現(xiàn)透射率的光控可調(diào)。圖7(b)給出了不同功率光的激勵(lì)下，歸一化透射系數(shù)的仿真結(jié)果。沒(méi)有光照時(shí)，在0.74 THz處透射率為85%；當(dāng)激勵(lì)光功率增加到1000 mW時(shí)，透射峰消失，透射率減小到50%；當(dāng)激勵(lì)光功率調(diào)到最大的1350 mW時(shí)，透射率降低至43%，完成了EIT峰值由開(kāi)到關(guān)的調(diào)制。2019年，文獻(xiàn)[47]也設(shè)計(jì)了一種太赫茲光控的EIT超材料，如圖7(c)所示。與上一個(gè)工作類(lèi)似，該工作中的SRR是一個(gè)圓形結(jié)構(gòu)，將光敏材料硅嵌入SRR的開(kāi)口處，通過(guò)改變光照強(qiáng)度控制硅的電導(dǎo)率，從而調(diào)節(jié)EIT的透射率。圖7(d)給出了不同電導(dǎo)率下，EIT超材料的透射譜。沒(méi)有光照時(shí)，硅的電導(dǎo)率為1 S/m，透射譜在1.33 THz呈現(xiàn)出的透射率為94%的透明窗口；硅電導(dǎo)率為5000 S/m時(shí)，透射率變?yōu)?8%；電導(dǎo)率為15000 S/m時(shí)，透射峰消失，整個(gè)調(diào)控效率可達(dá)66%。

近年來(lái)，基于超材料的吸波器成為研究熱點(diǎn)，太赫茲吸波器在太赫茲通信、成像、隱身、傳感等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。但是傳統(tǒng)太赫茲吸波器帶寬較窄、吸收頻點(diǎn)和吸收率固定，在一定程度上限制了吸波器的發(fā)展。光控有源超材料通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一是控制光的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，二是調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度。第1種方法只有兩種狀態(tài)難以實(shí)現(xiàn)多功能可調(diào)，第2種方法可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)控，但準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性受到限制。2018年，文獻(xiàn)[48]提出了一種結(jié)構(gòu)光調(diào)控的可調(diào)吸波器，可以通過(guò)改變空間光的分布來(lái)切換超材料的多種諧振模式，既實(shí)現(xiàn)了多種狀態(tài)切換又保證了穩(wěn)定性。超材料單元是由4個(gè)非對(duì)稱的1/4圓環(huán)組成的多諧振結(jié)構(gòu)，如圖8(a)所示，在4個(gè)圓環(huán)縫隙處集成4個(gè)光敏硅片，結(jié)構(gòu)光由一系列點(diǎn)光源組成，這些點(diǎn)光源通過(guò)人為控制在二維空間產(chǎn)生不同光照?qǐng)D案，照射在光敏硅片上來(lái)切換或組合超材料的諧振模式。圖8(b)給出了不同模式下結(jié)構(gòu)光的空間分布圖以及對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)，超材料的吸波帶寬和吸波頻率均可調(diào)節(jié)。該工作中工作帶寬和諧振頻率是通過(guò)空間光分布來(lái)控制的，而不只是簡(jiǎn)單光強(qiáng)變化，這種方法具有更好的靈活性和準(zhǔn)確性，有望在太赫茲開(kāi)關(guān)和太赫茲吸波器等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖7 基于CW和SRR結(jié)構(gòu)的EIT超材料Fig.7 EIT metamaterials based on CW and SRR structures

2019年，文獻(xiàn)[49]設(shè)計(jì)了一種光控可調(diào)諧多頻超材料吸收器，其單元結(jié)構(gòu)包含4個(gè)長(zhǎng)度不同金屬條，如圖8(c)所示。每個(gè)金屬條對(duì)特定頻率的太赫茲波都具有吸收特性，4種金屬條組合起來(lái)構(gòu)成了一個(gè)多頻帶吸波單元。在兩對(duì)金屬條之間填充光敏介質(zhì)砷化鎵(圖8(c)中紅色區(qū)域)，砷化鎵的電導(dǎo)率會(huì)隨著光照強(qiáng)度增加而增加，通過(guò)光控可以實(shí)現(xiàn)從絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變。圖8(d)給出了吸波率與砷化鎵電導(dǎo)率的關(guān)系曲線?？梢钥闯霎?dāng)電導(dǎo)率較小時(shí)，超材料在4個(gè)頻段具有吸波特性，隨著電導(dǎo)率增大，吸收頻段由4個(gè)變?yōu)?個(gè)，且吸波率隨著電導(dǎo)率改變。2020年，文獻(xiàn)[50]也設(shè)計(jì)了一個(gè)光控多態(tài)太赫茲吸收器，利用不同波長(zhǎng)的泵浦光對(duì)半導(dǎo)體材料砷化鎵和鍺激發(fā)不同的特性，實(shí)現(xiàn)了單頻、雙頻、三頻吸波狀態(tài)任意可切換的超材料吸收器。超材料單元結(jié)構(gòu)由3個(gè)嵌套的方環(huán)組成(圖8(e))，在方環(huán)的間隙嵌入具有不同光敏特性的砷化鎵和鍺。無(wú)泵浦光照射時(shí)，砷化鎵和鍺均處于絕緣狀態(tài)，3個(gè)方環(huán)相對(duì)獨(dú)立，產(chǎn)生3個(gè)吸收峰，如圖8(f1)；用1550 nm泵浦光照射時(shí)，只有鍺被激發(fā)，增加照射光強(qiáng)，鍺的電導(dǎo)率逐漸增大，3個(gè)吸收峰轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)，如圖8(f2)；用800 nm泵浦光照射時(shí)，砷化鎵和鍺同時(shí)被激發(fā)，隨著光強(qiáng)增加，3個(gè)吸收峰轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)，如圖8(f3)。多頻帶的光控吸波器在隱身、探測(cè)、成像等方向具有廣泛的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)[51]設(shè)計(jì)了一種光控超材料傳感器，通過(guò)改變照射光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)超材料諧振峰的調(diào)節(jié)，同時(shí)超材料的諧振峰會(huì)隨著待測(cè)液體的濃度發(fā)生變化，可以用作太赫茲波段液體傳感器。圖9(a)為光控超材料傳感器單元示意圖，SRR頂端有兩個(gè)用光敏材料硅填充的縫隙，外部光源可以改變硅的電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)絕緣體與金屬的切換。圖9(b)和圖9(c)給出了不同電導(dǎo)率不同極化下超材料單元的透射幅度。隨著電導(dǎo)率的增加，電場(chǎng)方向垂直于頂端開(kāi)口方向時(shí)，諧振頻率由1.139 THz偏移到0.800 THz；電場(chǎng)方向平行于頂端開(kāi)口方向時(shí)，諧振頻率由雙頻0.645 THz和1.716 THz變化為單頻1.256 THz，在兩個(gè)極化方向都具有調(diào)制效果。該工作可以進(jìn)一步應(yīng)用于低密度或薄膜生物樣品的無(wú)損檢測(cè)。

圖8 基于超材料的太赫茲光控吸收器Fig.8 Light-controlled Terahertz absorbers based on metamaterials

文獻(xiàn)[52]設(shè)計(jì)了一種光控太赫茲光子自旋超表面，利用P-B(Pancharatnam-Berry)相位和VO2的光調(diào)制特性設(shè)計(jì)了一種可調(diào)的多功能太赫茲光子自旋器件。如圖9(d)所示，單元是一個(gè)C字形結(jié)構(gòu)，開(kāi)口縫隙由VO2填充。P-B相位響應(yīng)是由C字形單元的幾何方向決定的，對(duì)入射的左旋和右旋圓極化波具有相反的相位響應(yīng)。在沒(méi)有光源激勵(lì)的情況下，VO2在太赫茲波段是介電常數(shù)為9的透明絕緣體，當(dāng)足夠強(qiáng)的光照射到VO2上時(shí)，電導(dǎo)率激增，絕緣體變?yōu)榻饘?。研究者利用上述單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了3種功能可切換的太赫茲器件。圖9(e)是根據(jù)P-B相位由圓形陣列組成的超反射鏡，當(dāng)VO2處于絕緣狀態(tài)時(shí)，反射鏡對(duì)垂直入射的右旋和左旋圓極化波具有聚焦和發(fā)散的功能，當(dāng)VO2轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贍顟B(tài)時(shí)，聚焦和發(fā)散功能消失。圖9(f)和圖9(g)分別為反射式波束分裂和渦旋波發(fā)生器，它們的作用也會(huì)隨著VO2狀態(tài)轉(zhuǎn)變而消失。該工作為設(shè)計(jì)多功能和可調(diào)太赫茲器件提供了新方法。

2.4 光控光頻段超材料與超表面

隨著當(dāng)今技術(shù)的快速發(fā)展，種類(lèi)繁多的半導(dǎo)體材料為光控光頻段超材料提供了廣闊的發(fā)展前景，例如透明導(dǎo)電氧化物(如氧化銦錫ITO、摻雜氧化鋅ZnO、摻雜氧化鎘CdO)[53–55]、二維材料(如石墨烯、二硫化鉬MoS2、二硒化鎢WSe2)[56–60]、相變材料(如鍺銻碲合金(Ge:Sb:Te:,GST))[61–64]、硅和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料(如砷化鎵GaAs、鈣鈦礦)等[65–67]。此外，也存在兩束相干光束相互作用的調(diào)控方式[68]。所實(shí)現(xiàn)的功能包括諧振頻率可調(diào)、透射反射率可調(diào)、吸波率可調(diào)、折射率可調(diào)、聚焦透鏡焦距可調(diào)等。

圖9 光控超材料傳感器和光子自旋設(shè)備超表面Fig.9 Light-controlled metamaterial sensor and spin-photonic devices based on metasurface

GST是一種基于碲的硫族化物合金，目前可重寫(xiě)光盤(pán)和非易失性電子存儲(chǔ)器都是基于這種材料，具有良好的熱穩(wěn)定性、高的切換速度和大量重寫(xiě)周期。GST通常包含兩種可以可逆切換的相態(tài)：非結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)。在非結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)之間，介電性能存在巨大的反差，由此產(chǎn)生的折射率變化導(dǎo)致諧振、透射和反射譜發(fā)生變化。文獻(xiàn)[63]使用GST設(shè)計(jì)了一種光控納米天線超表面，如圖10(a)所示，兩組不同的納米棒天線A和天線B在空間上交錯(cuò)排列，使光束折射到相反的方向。根據(jù)GST的狀態(tài)不同，天線A和天線B具有不同的諧振波長(zhǎng)。非結(jié)晶態(tài)的天線A和結(jié)晶態(tài)的天線B諧振波長(zhǎng)重疊(圖10(b))，由此設(shè)計(jì)了一個(gè)雙焦距超表面透鏡，根據(jù)聚焦透鏡公式計(jì)算出天線A和天線B沿x方向的旋轉(zhuǎn)角度(圖10(c))，對(duì)應(yīng)在GST非結(jié)晶態(tài)時(shí)焦點(diǎn)在z=0.5 mm處，GST結(jié)晶態(tài)時(shí)焦點(diǎn)在z=1.0 mm處，圖10(d)為非結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)時(shí)的仿真場(chǎng)強(qiáng)分布，仿真結(jié)果與理論分析吻合較好。

近年來(lái)，半導(dǎo)體材料甲基銨鹵化鉛鈣鈦礦(MAPbX3,,X=Cl,Br,I或其他混合物)因其優(yōu)異的光致發(fā)光特性成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[65]利用MAPbX3光柵的外部結(jié)構(gòu)色和內(nèi)部發(fā)射色相互作用，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)色彩顯示，通過(guò)控制泵浦光，可以在納秒級(jí)的過(guò)渡時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大范圍的顏色調(diào)諧。其工作原理如圖11(a)所示，白光和泵浦光同時(shí)入射到MAPbX3光柵上。外部結(jié)構(gòu)色依賴MAPbX3納米結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，而內(nèi)部發(fā)射色來(lái)自MAPbX3的光致發(fā)光特性，由泵浦光功率密度決定。根據(jù)混色理論，將兩種顏色混合即可產(chǎn)生第3種顏色，通過(guò)將外部結(jié)構(gòu)色和內(nèi)部發(fā)射色混合，外部結(jié)構(gòu)色作為基色，內(nèi)部發(fā)射色作為微調(diào)，可以動(dòng)態(tài)和可逆地調(diào)節(jié)所呈現(xiàn)的顏色。圖11(b)為未摻雜光子的大學(xué)校徽顯微鏡圖像。當(dāng)泵浦密度從0增加到22.89 μJ/cm2時(shí)，大學(xué)?；盏臐h字從紅色調(diào)到綠色(圖11(c))，產(chǎn)生了明顯的色彩調(diào)控。

圖10 基于GST的光控超表面[63]Fig.10 Optically reconfigurable metasurface based on GST[63]

3 總結(jié)與展望

圖11 動(dòng)態(tài)顏色顯示的鈣鈦礦納米結(jié)構(gòu)[65]Fig.11 Perovskite nanostructure for dynamic color display[65]

本文介紹了近年來(lái)光控電磁超材料的研究進(jìn)展，概述了現(xiàn)有關(guān)于光控超材料和超表面工作，按照工作頻段從直流、微波、太赫茲和光頻段4個(gè)方面介紹了它們的工作機(jī)制及應(yīng)用場(chǎng)景。光控方法因具有遠(yuǎn)程調(diào)控、無(wú)接觸式控制、調(diào)制速度快和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在短短不到十年里得到了迅速發(fā)展。表1對(duì)比總結(jié)了上述光控電磁超材料(超表面)在頻率、光控材料、實(shí)現(xiàn)功能和有無(wú)實(shí)驗(yàn)結(jié)果等特點(diǎn)。常用的光控方式是利用光敏電阻、光電二極管、半導(dǎo)體材料和金屬氧化物等有源器件和材料的光敏特性來(lái)改變超材料和超表面的電磁參數(shù)，目前光控電磁超材料已在隱身、幻象、吸波、多功能切換等領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展。在太赫茲等高頻波段，由于加工成本高、加工工藝復(fù)雜，大部分光控超材料只停留在理論模型和仿真驗(yàn)證階段，離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。近年來(lái)，由于可調(diào)超材料(超表面)的快速發(fā)展，相關(guān)綜述論文相繼發(fā)表[88–94]。這些綜述論文各有側(cè)重，展現(xiàn)和總結(jié)現(xiàn)有可調(diào)超材料(超表面)的研究進(jìn)展和動(dòng)態(tài)。但光調(diào)控仍屬于初步發(fā)展階段，發(fā)展歷程較短，目前尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)綜述文章發(fā)表。本文歸納總結(jié)了現(xiàn)有光控電磁超材料(超表面)的研究現(xiàn)狀，也為未來(lái)的研究提供思路和參考。

光控超材料未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景包括以下幾個(gè)方面：

(1) 光控大規(guī)模超材料

可編程超材料可以在單一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多種功能，且可按照編寫(xiě)好的程序?qū)崟r(shí)切換[95]，是未來(lái)將超材料推向信息化的基礎(chǔ)。在光控超表面中，文獻(xiàn)[42]提出了一種1比特列控的數(shù)字編碼超表面，實(shí)現(xiàn)了兩種功能的切換；文獻(xiàn)[43]設(shè)計(jì)了一種2比特的可編程超表面，每個(gè)子陣可獨(dú)立可編程，實(shí)現(xiàn)了幾種完全不同的功能。未來(lái)可設(shè)計(jì)規(guī)模更大、可控單元數(shù)更多以及比特?cái)?shù)更多的光控可編程超材料，可實(shí)時(shí)切換更多更復(fù)雜的功能，為超材料的設(shè)計(jì)提供無(wú)窮的可能性。

表1 光控電磁超材料(超表面)特點(diǎn)總結(jié)表Tab.1 Summary of the characteristics of light-controlled electromagnetic metamaterials (metasurfaces)

(2) 光控自適應(yīng)超材料

現(xiàn)有的光控超材料雖然能夠?qū)崿F(xiàn)任意調(diào)控電磁波，但不同功能的切換仍需通過(guò)手動(dòng)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)法脫離人為控制。自適應(yīng)超材料在動(dòng)態(tài)超材料的基礎(chǔ)上引入傳感器，自動(dòng)感知周?chē)h(huán)境或狀態(tài)，并通過(guò)實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)為控制端提供決策，自動(dòng)調(diào)整超材料的功能，無(wú)需人為控制[96]。例如，在光控方面，可以將光學(xué)傳感芯片集成到設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成具有傳感特征的自適應(yīng)超材料。通過(guò)結(jié)合定制的控制計(jì)算程序以及執(zhí)行電路，自適應(yīng)超材料可以檢測(cè)環(huán)境光強(qiáng)度，或者根據(jù)光強(qiáng)定位自主改變功能，為下一代無(wú)線系統(tǒng)構(gòu)建具有自主自適應(yīng)可編程功能的智能超材料設(shè)備。未來(lái)還可以結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法等人工智能的方法輔助設(shè)計(jì)超材料，開(kāi)發(fā)具有可認(rèn)知能力的超材料和超表面。

(3) 光控時(shí)域超材料

傳統(tǒng)超材料和超表面都是調(diào)控電磁波的空間分布，近年來(lái)，時(shí)域超表面[97–100]為電磁波頻譜分布調(diào)控開(kāi)辟了新的途徑。例如，利用時(shí)域超表面研制的無(wú)線通信系統(tǒng)，省去了傳統(tǒng)的模擬或數(shù)字電路，功耗降低，極大地簡(jiǎn)化了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的架構(gòu)，同時(shí)具有良好的實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸性能[97,98]。利用時(shí)間-空間聯(lián)合編碼的超表面可以同時(shí)調(diào)控電磁波的頻譜和空間分布，實(shí)現(xiàn)了許多新奇的物理現(xiàn)象[99,100]。未來(lái)可以構(gòu)造光控時(shí)域超表面，光和電磁的多物理場(chǎng)融合也將會(huì)在物理模型和信息系統(tǒng)中產(chǎn)生新的研究方向。