【电磁超构材料与超表面的发展概述1500字】

电磁超构材料与超表面的发展概述为了便于研究，科学家们明智地引入了介电常数()和磁导率()这两个重要的参量来探究物质与电磁波的相互作用，一般来说不同物质对电磁波的响应大多不同，这是因为它们自身拥有特定的和。然而我们知道在自然界中物质的这两个量不是任意的，这表明了天然的材料对电磁波的操控具有局性限，于是人们就开始思考能否独立的设计和这两个参数，进而通过设计的材料自主地调控电磁波[6]。终于在20世纪末，Pendry等人[7-8]发现可以用共振环形结构和亚波长的金属线来获得人工电磁响应，入射光场在这种设计下不需要依赖材料中光的传播就能发生特殊的响应，他们的设想对新型光学元件的发展具有很好的借鉴作用。紧接着在2000年，Smit等人[9]提出了超材料（Metamaterials）的概念，超材料是由一系列亚波长单元结构组成，具有自然材料所没有的超常电磁性能的人工材料[10]。因此其可以灵活地对电磁波的相位以及振幅等参量进行调控[11]，进而实现逆多普勒效应、虚拟赋形、完美成像等[12-15]一系列自然材料无法实现的新性能，这足以展现超材料的重要性及其迷人的魅力。然而尽管关于超材料的设计思想已经有了大量原理性的研究，但其进一步的发展受限于在光学波段固有的传播损耗。为了解决这些问题，超材料的二维形式超构表面开始进入科学家的研究视野中。作为亚波长微结构构成的超薄平面，超表面较之超材料而言损耗小、易加工，同样能对电磁波相位、振幅等进行有效的调控。哈佛的Capasso等人在2011年首先提出了一种“V”形天线超表面[16]。如图1.1所示，我们可将其中8个“V”形天线中的左边前四个为第一组，首先调节金属天线的臂长以及夹角，这样便能在透射光中得到0至的相位变化，随后按顺时针将天线旋转90°从而获得的相位突变，这样得到的右边四个天线为第二组，因此将这两组天线结合就可以实现0到2的相位调制[11]。Capasso课题组通过这种天线超表面结构实现了光传播的异常折反射以及涡旋光束的产生，同时提出了广义折反射定律，也可称为广义Snell定律。图1.1V字型相位谐振超表面示意图[16]在此之后人们利用这种类型的梯度超表面实现了诸如四分之一波片[17]、光学聚焦[18-20]、光学涡旋[21]等超表面功能器件。例如，Chen等人在2012年利用偶极子天线成功实现了双极性超透镜，如图1.2(a)所示。当左旋圆偏振光入射时，超透镜相当于一个发散的负透镜，而改为右旋圆偏振光入射时，超透镜则变成了聚焦的正透镜，这一超透镜的极性与入射光的偏振态有关。同年，Yu等人则用V形天线设计了一个类似于宽带四分之一波片的超表面，如图1.2（b）所示。通过设计当两个子单元间特定的偏移量，使得当线偏振光照射时，就形成了两个同向传播的具有/2相位差但振幅相等的光波，经过干涉后就产生了他们所需的圆偏振光[18]。只要设计合适的人工微结构序列，超表面可以实现任意的偏振控制、异常折反射、波导耦合转化等功能，同时通过对电磁波各种物理量的自由调控，人们利用超表面在电磁领域取得了一系列重要成果[22-29]。其中虚拟赋形在激光探测和雷达探测中有重要应用，例如中科院的罗先刚团队[29]在2014年提出了一种新的虚拟赋形方法，如图1.2（c）所示，他们通过两层超表面的级联来调制反射电磁波的波前，并且在600-2800nm的超宽带范围以及8-16GHz的微波波段内验证了雷达散射截面（RCS）值的缩减。图1.2不同功能的超表面示意图：(a)双极性平面超透镜[18]，(b)V型天线构成的四分之一波片[17]，(c)超表面虚拟赋形效果及测试装置[29]作为目前光学领域的研究热点，超表面与传统的三维超材料相比具有厚度较薄、容易加工等优势。由于人工微结构具有亚波长的量级，这使得超表面可以在纳米尺度上成功