专栏名称: 热辐射与微纳光子学

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OEE | 动态可调谐超表面的研究进展与应用【南方科大刘言军副教授团队】

热辐射与微纳光子学 · 公众号 · · 2024-01-16 09:11

正文

《光电工程》

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南方科大刘言军副教授研究团队在《光电工程》“ 超表面光场调控 ”专题上发表了综述文章，介绍了当前超表面动态调控的主要机制，梳理了该方面的研究进展，还对动态超表面在成像、显示、光场调控等领域的重要意义和应用前景进行了概述，并总结了当前可调超表面的主要问题及未来发展方向。

文章 | 王家伟，李珂，成茗，等. 动态可调谐超表面的研究进展与应用[J]. 光电工程，2023， 50 (8): 230141.

第一作者：王家伟

通信作者：刘言军

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概述

超表面（Metasurfaces）通常是由具有亚波长尺寸的离散电磁散射体组成的二维阵列，具有前所未有的控制光传播的能力，在过去十几年中引起人们极大的兴趣。超表面可以通过恰当的材料选择以及合适的结构设计，调控电磁波的相位、振幅、频率、偏振等物理参量，并且实现天然材料和复合材料均难以实现的新特性和新功能。然而，稳定的贵金属静态电子密度、电介质材料光学常数，以及固定的结构形状/几何形状，导致超表面的电磁响应在其制备完成后是固定而无法改变的，这限制了超表面的实际应用范围。因此，研究和设计动态超表面光学器件用于实现光学特性的动态调控和拓展其应用范围是非常必要的。

通过对可调材料的适当选择和对超原子的合理设计，超表面能够实现对光的相位和振幅等物理参量的动态调控。合理设计具有入射光方向、偏振依赖的超表面，并结合可调材料或者手段实现入射光方向和偏振的动态可调，即可实现超表面的动态响应调控。同时，超表面引入动态调控机制也会促进其光学功能的多样化，进一步扩展其应用范围和场景。目前，主要的可调材料包括液晶、导电氧化物材料、二维材料、相变材料等。超表面主要的调控机制包括机械调控、温度调控、电调控、微米/纳米机电系统调控和非线性光学调控等。动态超表面领域的这些研究大多处于原理论证阶段，每种调控机制在光学性能和实际应用中都有其独特优势和难以避免的劣势，所以特定的光学应用和场景需要选取合适的调控机制。

关键进展

南方科技大学刘言军副教授 研究团队在《光电工程》2023年第8期“ 超表面光场调控 ”专题上发表了题为“ 动态可调谐超表面的研究进展与应用 ”的综述文章，主要介绍当前超表面动态调控的主要机制，包括电调控、热调控、光调控、机械调控、化学调控等，梳理国内外学者在超表面动态调控方面的研究进展。此外，该综述还对动态超表面在成像、显示、光场调控等领域的应用进行了概述，阐述了其重要意义和应用前景。最后总结了当前可调超表面的主要问题及未来发展方向。图1总结了动态超表面的调控手段与机理。

图 1 超表面动态调控手段与机理

动态可调谐超表面的调控机制

电调谐动态超表面 ：可调谐的等离激元超表面主要基于构成超表面的纳米结构的材料介电常数，其周边环境的介电常数，以及超表面的纳米结构的尺寸变化导致的响应变化。电控可调的超表面主要是利用电响应的一些材料，比如液晶材料、二维材料、电致变色材料等改变折射率或者结构单元的尺寸，进而达到响应调谐的目的。其中液晶材料集成在超表面上面可以实现连续的折射率调节，在光调控上有比较广泛的应用，并且材料的制备工艺非常成熟；二维材料因能带的连续可调谐性，使其图形化的结构或者集成其他纳米结构都能实现良好的光学性能的可调谐，但目前在制备工艺上还不是特别成熟，需要进一步探索可能产业化的制备流程。

热调谐动态超表面： 将超表面与半导体、透明导电氧化物、相变材料等热响应材料相结合，基于热光效应、载流子变化和相变等机制，可实现热调谐动态超表面。以硅为代表的半导体，温度改变会使其能带发生变化，进而影响材料的折射率，调节超表面的响应。另一类热调谐超表面是基于以二氧化钒(VO 2 )、锗锑碲(GST)相变合金、液晶为代表的相变材料，温度变化使得材料发生相变，进而产生折射率调制，影响超表面的响应。液晶作为一种光学各向异性的相变材料，与上述其他相变材料类似，液晶和超表面作为一个整体，通过热控液晶材料相变调制其折射率，从而影响超表面的功能。液晶可调超表面另外一种调控机制为液晶作为独立的调控单元，通过调制以偏振为主的入射光状态来调制超表面的功能，这种方式相比于改变液晶折射率可实现更大的调制范围。

光调谐动态超表面： 光泵浦可以实现皮秒甚至飞秒量级更快的调制。基于硅、III-V族半导体、透明导电氧化物(TCO)等材料的光激发载流子调控机制被广泛应用于光可调超表面中。另一种光调谐超表面基于光热效应与材料相变，与基于相变材料的热可调超表面类似，高能激光的光热效应诱导材料局部升温，产生相变，其折射率的变化调制超表面功能。

机械调谐动态超表面： 机械调控是通过机械力作为外部激励改变超表面中超原子的几何形状和相邻原子间距来进行动态调控，主要有微机电系统(MEMS)以及柔性衬底两种思路。MEMS，也称为微机电系统，是一种在微米或纳米尺度上的机械系统，其机械结构在外部激励下会发生变化。而通过柔性衬底来实现可调超表面的早期工作，是通过将超原子阵列转移到柔性基板上，拉伸衬底导致超表面的超原子结构和晶格的变化。

化学调谐动态超表面： 化学调谐是通过化学的手段使构成超构原子的材料发生化学成分改变或者超构原子周围介质发生化学性质改变，材料化学性质的改变会造成折射率或者偏振等材料光学物理参量的变化，因此整个器件的电磁响应也会被改变，然后再通过可逆的转化，从而达到对超构表面光学器件进行可逆重构调控。化学调谐动态超表面实现路径主要有两条，第一种是使用Mg、Si等材料作为超构原子，通过可逆化学反应使得超构原子的构成材料发生变化，进而整个器件的电磁响应也会被改变。第二种实现化学调谐动态超表面的思路是通过改变超构原子周围介质的性质，进而引起整个器件的电磁响应改变。

动态可调谐超表面的应用

动态成像应用： 经典的透镜成像主要是通过调控波前的相位，使光束实现偏折形成的。其中波前的调控主要通过玻璃或者塑料透镜的厚薄产生的光程差进行操控。因此实现一个周期内的相位需要厚度差比较大的结构完成。超表面通过拓展经典Snell定律，在亚波长到波长尺寸的厚度范围内即可实现一个周期内的相位变化，因此提供了一种小型化成像的很好的雏形。可调的焦距无疑给成像增加了更多的通道。因此这部分内容主要讨论在可调材料基础上实现可调超表面的成像，主要表现为焦距的变化。

动态显示应用： 全息术(Holography)不仅限于记录光的强度信息，还可以捕捉光场中的复杂相位信息，从而为精确重建原始光场提供更全面的数据支持。尽管通过多路复用超表面可以记录多通道光场信息并且通道信息独立显示，但是仍然缺乏主动调控的功能。因此，开发有源材料来实现动态全息显示显得尤为重要。超表面结构色的动态显示也有着巨大的应用前景。与化学染料不同的是，结构色是光与谐振单元之间干涉、衍射或散射而产生的结构性颜色。所观察到的颜色由谐振单元的物理尺寸和形状决定。动态结构色显示对于超分辨显示具有极大的推动作用。

动态光束整形应用： 光束控制在激光雷达、光通信、激光加工和3D打印等方面有着重要的作用。传统的光束控制手段主要依赖于机械手段或者液晶，比如电动旋转平台、数字微镜(DMD)和空间光调制器(SLM)，但是这些调控方式存在响应时间长、多衍射级次、难集成、成本高等问题。得益于亚波长尺寸的结构，动态可调谐超表面有望解决这些问题。

总结与展望

超表面作为平面器件，很大程度地避免了超材料在制备和材料损耗方面的困境。然而，大多数光学超表面缺乏动态调控，限制了其应用范围。目前常用的调控手段包括温度调控、电调控、光调控、机械调控、化学调控等。但是没有完美的调控手段和可调材料，所有的调控手段和可调材料都会受到环境因素、应用场景以及材料本身的其他性质所制约。基于微机电系统方法的机械调控，其调控范围小、结构系统复杂，但是易于集成和精准控制；基于柔性衬底弹性形变的调控，具有使用寿命短和不易与其他系统集成以及施加机械力的设备庞大等劣势，但是其调控响应范围大，且易于制作和调控；温度调控的机制对于温度敏感的材料而言，在特殊场景下具有特有的调控优势，但是对于温度要求严格的应用场景便不太适用；而电调谐是目前最容易与现有技术集成，同时具备响应时间快、响应范围广、对使用环境没有特殊要求等特性的动态调控手段之一，但是其亚波长尺寸结构的驱动仍面临挑战；化学调控方法作为超表面动态调控方法的其中之一，在特定场景的防伪以及动画显示具有一定的意义，但是超表面在不断的化学转化过程中会出现结构破坏等问题，使用寿命和响应时间是目前该方法的主要突出问题。总之，动态可调谐超表面器件正朝着响应速度快、可调机制友好、材料易于集成、多功能化等目标迈进。

该工作获得了国家自然科学基金项目(62075093，62211530039)、广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队项目(2017ZT07C071)、深圳市科创委科技计划项目(JCYJ20220818100413030)、深圳市发改委工程中心项目(XMHT20220114005)的资助。

研究团队简介

南方科技大学电子与电气工程系微纳光子学实验室在刘言军副教授的带领下主要致力于液晶光电子学、等离激元光子学、超材料及超表面等领域的研究。实验室参与和主持包括国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省广创团队、深圳市孔雀团队、深圳市工程中心、深圳市基础研究重点项目等十余项纵向项目，已与国内头部企业开展多项横向课题。在 Nat. Commun.、Adv. Mater.、Nano Lett.、Sci. Bull. 等高影响力期刊发表论文 200 多篇，出版专著 5 章节，获授权发明专利 16 项。此外，刘言军副教授还入选国家级人才计划青年项目、广东省“珠江人才计划”青年拔尖人才、深圳市孔雀计划 B 类人才、 IEEE Senior Member、全球前 2% 顶尖科学家榜单。

南方科技大学电子与电气工程系微纳光子学实验室团队成员合照

OEE | 动态可调谐超表面的研究进展与应用【南方科大刘言军副教授团队】

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