光學(xué)超材料就是利用波長與光的波長相近或更短的人造結(jié)構(gòu)來調(diào)控光的行為，包括光的強(qiáng)度、偏振態(tài)和相位等。光學(xué)超材料依然遵循物理規(guī)律，只是在研究視角和研究尺度上和傳統(tǒng)的光學(xué)材料有所不同，需要在微米、納米等亞波長尺度下設(shè)計(jì)和調(diào)控材料的電磁學(xué)性質(zhì)。

光學(xué)超材料是由亞波長結(jié)構(gòu)單元或具有特異電磁特性的超原子組成的人工微納結(jié)構(gòu)材料。通過人工改變構(gòu)成材料的結(jié)構(gòu)單元，可使光學(xué)超材料表現(xiàn)出一些新奇的光學(xué)性質(zhì)。例如，特殊的微納結(jié)構(gòu)讓光學(xué)超材料能夠以特定的方式對(duì)光的傳輸進(jìn)行調(diào)控，從而達(dá)到隱形效果。

什么是光學(xué)超材料？光學(xué)超材料未來還有哪些改變?nèi)藗兩�活的�?yīng)用場(chǎng)景？日前，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院教授楊振宇、張誠和副教授繆靈接受了科技日?qǐng)?bào)記者專訪，揭開了光學(xué)超材料的“神秘面紗”。

通過改變材料結(jié)構(gòu)來調(diào)控光的行為

一塊透明的玻璃，通過改變成分可以讓它的透光率和顏色發(fā)生變化。而除了調(diào)節(jié)成分以外，還可以通過在這塊玻璃表面刻上像窗紗一樣的具有周期性的亞波長格子圖案，來使直射在它表面的光發(fā)生偏轉(zhuǎn)或者反射，甚至讓它產(chǎn)生透鏡的效果。“通過改變材料結(jié)構(gòu)讓自然材料變成一種人工材料，產(chǎn)生它原本沒有的特性，這就體現(xiàn)了光學(xué)超材料中‘超’的特點(diǎn)�！笨婌`說。

從專業(yè)角度來講，光學(xué)超材料就是利用波長與光的波長相近或更短的人造結(jié)構(gòu)來調(diào)控光的行為，包括光的強(qiáng)度、偏振態(tài)和相位等。光學(xué)超材料依然遵循物理規(guī)律，只是在研究視角和研究尺度上和傳統(tǒng)的光學(xué)材料有所不同，需要在微米、納米等亞波長尺度下設(shè)計(jì)和調(diào)控材料的電磁學(xué)性質(zhì)。

“大致上光學(xué)超材料的研究主要集中在設(shè)計(jì)和加工制備這兩個(gè)方向�！睏钫裼罱榻B，在光學(xué)超材料的設(shè)計(jì)上，現(xiàn)在既有基于麥克斯韋方程組或者聲學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)中對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，也有將深度學(xué)習(xí)、人工智能引入超材料設(shè)計(jì)的新方法。

在制備技術(shù)層面，則可以根據(jù)維度的不同將光學(xué)超材料分為二維超材料和三維超材料。二維超材料以光學(xué)超表面為代表，可以在很薄的一層亞波長結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的調(diào)控。相比三維的體超材料，光學(xué)超表面具有一定的加工優(yōu)勢(shì)，可以完全兼容平面化的傳統(tǒng)半導(dǎo)體微加工方式，因此成為主流的研究方向。而三維的光學(xué)超材料則主要利用自組裝、多層納米結(jié)構(gòu)、激光3D打印等技術(shù)來制備。

光學(xué)超材料應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊

光學(xué)超材料可用于光學(xué)器件及光學(xué)傳感器制造，例如光學(xué)超透鏡就是利用光學(xué)超表面設(shè)計(jì)加工出來的一種具有透鏡功能的器件，可用其來構(gòu)建小巧、緊湊、高質(zhì)量的成像系統(tǒng)。此外，利用光學(xué)超材料及超表面技術(shù)，有望研制高性能、多功能和集成化的光學(xué)器件，打破傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)的限制，在紫外、深紫外，甚至真空紫外波段應(yīng)用。

在能源和環(huán)境領(lǐng)域，越來越多的科研團(tuán)隊(duì)正想方設(shè)法地在太陽能電池板的表面甚至是內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，利用光學(xué)超材料來提升太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率。

光學(xué)超材料的另一個(gè)研究方向是結(jié)構(gòu)色，也稱物理色。張誠介紹，像大自然中孔雀的羽毛還有蝴蝶的翅膀，它們看起來很漂亮的顏色并不是因?yàn)槔锩婧�有某些化學(xué)物質(zhì)或者染料，而是因?yàn)樗鼈兊奈⒂^結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其與入射的太陽光發(fā)生了相互作用。“基于此，我們可以去設(shè)計(jì)各種人工微觀結(jié)構(gòu)，做出我們想要的顏色�！彼�說。結(jié)構(gòu)色是依靠結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生的顏色，其不依賴化學(xué)物質(zhì)，具有良好的持久性和穩(wěn)定性，應(yīng)用在彩色打印和照片沖洗上，可以達(dá)到在日照下不褪色的效果。“結(jié)構(gòu)色還可以用于制作口紅或者汽車噴漆，不僅無毒無害，而且合成出來的顏色在視覺效果上往往也更高級(jí)�！睆堈\說。

在通信領(lǐng)域，光學(xué)超材料已有非常成熟的應(yīng)用。光子晶體光纖從本質(zhì)上講也是一種光學(xué)超材料，要通過人為的制備和加工才能夠形成這樣的微結(jié)構(gòu)光纖。楊振宇表示，學(xué)術(shù)界對(duì)光子晶體光纖的研究已經(jīng)有十幾年的歷史，這種光纖在很多光學(xué)應(yīng)用場(chǎng)合都占據(jù)一席之地。

智能超表面則是光學(xué)超材料領(lǐng)域的一項(xiàng)新的“黑科技”。作為一種基礎(chǔ)性創(chuàng)新技術(shù)，智能超表面具有低成本、低能耗、可編程、易部署等突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì)6G通信技術(shù)發(fā)展有重要作用。“當(dāng)我們通過提高電磁波的載波頻率來提高信息容量的同時(shí)，電磁波的定向性也會(huì)隨之加強(qiáng)，就像家里的Wi-Fi信號(hào)從覆蓋整間屋子變成了只有固定的幾個(gè)方向信號(hào)強(qiáng)。而智能超表面可以通過設(shè)計(jì)信號(hào)覆蓋的局域位置，讓每個(gè)角落都有信號(hào)�！笨婌`表示，除了在家庭環(huán)境中，智能超表面還可以在樓宇間布置，減少高樓大廈對(duì)信號(hào)尤其是高頻段信號(hào)的遮擋效應(yīng)。

2021年，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心陶光明教授團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)馬耀光教授團(tuán)隊(duì)、中國紡織科學(xué)研究院有限公司等多家單位開展交叉學(xué)科聯(lián)合創(chuàng)新，基于形態(tài)學(xué)分級(jí)設(shè)計(jì)研發(fā)出無源降溫光學(xué)超材料織物。該織物實(shí)現(xiàn)了太陽輻射波段92.4%的反射率以及中紅外波段94.5%的發(fā)射率。其降溫效果好，可穿戴性能高，應(yīng)用前景廣闊，入選應(yīng)用研究類“2021中國光學(xué)十大進(jìn)展”。

走向產(chǎn)業(yè)化充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)

從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化的過程往往充滿困難和挑戰(zhàn)，光學(xué)超材料也不例外�！叭魏渭夹g(shù)或者理論要想推向市場(chǎng)并獲得廣泛應(yīng)用，都建立在制備工藝可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，但目前僅二維的光學(xué)超表面的制備難度就已經(jīng)非常高了。”楊振宇表示，光學(xué)超表面的微結(jié)構(gòu)特征尺度大都在幾十納米到百納米的亞光學(xué)波長量級(jí)，要想實(shí)現(xiàn)大面陣的微結(jié)構(gòu)加工，就需要克服高成本、長制備周期等問題。

“光學(xué)超材料的應(yīng)用并不是孤立的，不僅要考慮超材料本身的設(shè)計(jì)制備，還要考慮在與其他已有器件集成的過程中如何更好地結(jié)合。此外我們還希望做出來的光學(xué)超材料具有可控性、穩(wěn)定性，這些都是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。”楊振宇說。

繆靈認(rèn)為，找到一個(gè)好的應(yīng)用場(chǎng)景，是讓光學(xué)超材料從科研走向應(yīng)用的關(guān)鍵所在。盡管距離“隱身衣”的實(shí)現(xiàn)還很遙遠(yuǎn)，但光學(xué)超材料對(duì)人們生活方方面面的改變，依然值得期待�！氨热珉姶懦�表面可以和智慧道路結(jié)合起來�，F(xiàn)在的汽車越來越智能化，通過毫米波雷達(dá)可以和智慧道路不斷進(jìn)行交互。電磁超表面的應(yīng)用可以讓汽車的雷達(dá)信號(hào)源與道路交互的時(shí)候信號(hào)互相不干擾，并一直保持強(qiáng)信息交互�！彼�介紹。

光學(xué)超表面的應(yīng)用還有望替代傳統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，實(shí)現(xiàn)平面化、多模式的成像方式，在成像效果不變甚至更強(qiáng)大的前提下讓手機(jī)、相機(jī)的鏡頭變得更輕薄，提升便攜性�！俺�材料還可以用于AR、VR設(shè)備，讓顯示效果更好，設(shè)備重量更輕，增強(qiáng)人們的體驗(yàn)感和佩戴舒適感。”張誠說。

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