动态可调谐超表面的研究进展与应用

王家伟，李 珂，成 茗，陈 磊，孔德来，刘言军*

1南方科技大学电子与电气工程系，广东 深圳 518055；

2深圳市高分辨光场显示与技术工程研究中心，广东 深圳 518055

1 引言

超表面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[1]，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[2-5]，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，例如负折射率[6]、隐身[7]、选频[8]、光场调控[9-12]等。另外，电磁波与亚波长结构相互作用，可以诱发表面等离激元[13-14]、晶格共振[15]、Mie 共振[16-19]、以及Fano 共振[20]等模式。总之，超表面既可以实现天然材料不可比拟的新特性，也可以对电磁波具有更多自由度的调控。

得益于超表面灵活的设计自由度，超薄平面光学器件得到迅速发展，被广泛地应用于如选频滤波[21]、全息显示[22]、光束偏转[23]、聚焦[24]和光开关[25-27]等领域。超表面具有平面化的特点，典型厚度为亚波长尺寸，可以实现超薄的平面光学元件功能，如平透镜[28]、滤波片[14]、全息板[29]等。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[30]。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。动态光学超表面可以对透射、反射、折射等的光束进行动态控制，包括单独或同时控制光的相位、振幅、偏振以及光谱的时间、空间响应。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[31]。合理设计具有入射光方向、偏振依赖的超表面[32-36]，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。在过去的几年里，人们利用可调材料和新颖的设计，为实现具有可控振幅和相位调制的超表面进行了大量的尝试[37]。

目前，主要的可调材料包括液晶[38-39]、导电氧化物材料[40]、二维材料[41]、相变材料[42]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[43]。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。目前，已有一些文献[44-45]对超表面的原理及应用做了系统概述与总结，但关于动态可调超表面的调控机制和应用目前仍缺乏最新的、全面的梳理与综述。图1 总结了动态超表面的调控手段与机理，本文将以调控手段分类总结动态超表面的研究进展，并对动态超表面的应用前景做概要梳理。

图1 超表面动态调控手段与机理Fig.1 Typical working mechanisms of dynamically tunable metasurfaces

2 动态可调谐超表面的调控机制

2.1 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[46-47]。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[48-49]、二维材料[50-56]、电致变色材料[57]等改变折射率或者结构单元的尺寸[58-59]，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。

如图2(a)所示，Chanda 课题组在铝纳米碗的表面集成了一层平行取向的向列相液晶[48]，液晶材料因为分子结构的棒状特性导致其具有双折射效应。在外加电场作用下，液晶分子会发生重新取向，重新取向之后的液晶指向矢方向与外加电场的方向一致，从而使得入射电场感受到不同的折射率。因为液晶层直接覆盖在金属结构上方，液晶的连续折射率变化，使得等离激元响应产生一个连续的红移。除了连续可调的响应变化，Liu 课题组利用金属铝纳米孔的偏振依赖透射特性和扭曲向列相液晶引起的偏振波导效应展示动态结构色[49]。

图2 几种不同材料的电调谐动态超表面方法。(a)液晶材料集成[48]；(b) 电致变色材料集成[57]；(c)石墨烯材料集成[50]；(d)相变材料作为间隔层集成[61]Fig.2 Electrically tunable metasurfaces with different active materials.(a) Liquid crystal integration[48];(b) Electrochromic material integration[57];(c) Graphene material integration[50];(d) Integration of phase change material as the sandwich layer[61]

聚吡咯是一种典型的电致变色材料，该材料分散在溶液中后外加或者去除电场时会发生可逆的氧化或者还原化学反应进而改变其能带的结构[60]，实现宽带吸收与不吸收的可逆切换。因此，如图2(b)所示，Dahlin 团队证明了一种大面积的电子墨水开关的实现方法[57]。这种方法主要通过胶体小球自组装制备了大面积的金属电介质金属结构，通过法布里-珀罗干涉形成特定的颜色，产生反射式结构色。在这种微纳结构的表面上通过电化学聚合的方式生长一层聚吡咯，因此结构色的产生与关闭可以通过外加电场的方式来实现动态控制。

离子掺杂能改变石墨烯的费米能位置。双层石墨烯之间夹电解液层的三明治结构在外加电压的驱动下，正负离子会发生反向运动至石墨烯表面，改变石墨烯的能级，从而调谐整个器件的光学性能。在图2(c)中，朱卫仁团队用这种双层石墨烯夹电解液层的三明治结构覆盖高阻抗周期性金属电路组成一个电控可调谐的超表面[50]，并且在实验上和数值仿真上证明了在3.41 GHz 到4.55 GHz 波段的、反射系数在-3 dB 到-30 dB 之间的调谐响应。锗锑碲(Ge2Sb2Te5,GST)材料是另一种被广泛使用的可调相变材料，Adibi 小组展示了用电脉冲可连续调控GST 的结晶比例[61]，如图2(d)所示，从而在1390～1640 nm 范围内通过调节电压的大小实现准连续的光学响应。这为GST 材料的应用提供了一种新的思路。微机电系统可以改变自身的形状，当超材料本身设计为一种微机电系统[58]，或者与微机电系统结合[59]，改变单元的结构，从而引起最终超表面的响应变化，这也是一种电控可调响应的很好形式，但由于该方法最直接的调控机理是微机电系统引入的超表面形变，因此本文将微机电系统归纳为机械调谐，并将在2.4 小节详细介绍其调控机理。

2.2 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。Mohsen 等人基于此将硅基超表面样品从室温加热到300 ℃，实现了通信波段向前和向后的散射调制，产生0.1 nm/℃的共振峰位红移[62]。同时，硅基超表面具有CMOS 工艺兼容的优势，在纳米光子集成上有巨大的发展前景。Sun 等人基于CMOS 工艺加工制备了64 × 64 的硅基纳米光子相控阵，如图3(a)所示，电路产生的焦耳热，每8.5 mW 可以完成π 的相移，通过像素化的相位可调，实现了6°的光束偏转和图形化远场辐射的功能[63]。Teng 等人基于PN 结硅基超表面设计实现了可调的宽带THz 防反射器件[64]。Khosro 等人基于硅的热光效应与闪加热驱动，制备了氧化铟锡(ITO)局部加热的非晶硅孔的超表面，实现了偏置电压＜5 V、上升时间＜625 μs、9 倍透过率调制的超表面[65]。除了硅以外，III-V 族半导体如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)等也可以通过热激发调控载流子，改变材料有效折射率。Iyer 等人在重掺杂的InSb 衬底制备本征InSb 结构，温度升高使得重掺杂衬底电子有效质量增加，导致折射率变化，同时热效应也导致本征InSb 结构载流子浓度大幅提升，二者共同作用导致共振峰位移动，如图3(b)所示[66]。

图3 几种不同材料的热调谐动态超表面方法。(a) 电热可调硅基纳米光子相控阵示意图[63]；(b) 基于重掺杂InSb 衬底和InSb 结构的热可调反射率光谱[66]；(c) 基于VO2 电热可调超表面的(i)结构示意图及(ii)共振峰位的移动[68]；(d) 基于GST 材料热可调超表面(i)相变导致的反射谱调制及(ii)器件结构示意图[70]；(e) 基于液晶热可调超表面的(i)结构示意图及(ii)不同温度下透过率调制[74]Fig.3 Thermally tunable metasurfaces with different active materials.(a) Schematic diagram of an electrothermally tunable silicon-based nanophotonic phased array[63];(b) Thermally tunable reflectance spectrum based on a heavily doped InSb substrate and InSb nanostructures[66];(c) VO2-based electrothermally tunable metasurface: (i) schematic diagram and (ii) the shift of its resonant peak[68];(d) GST-based thermally tunable metasurface: (i) the reflection modulation caused by the phase change and (ii) schematic diagram of the device[70];(e) LC-based thermally tunable metasurface: (i) schematic diagram of the device and (ii) the transmittance modulation at different temperatures[74]

另一类热调谐超表面是基于以二氧化钒(VO2)、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。其中VO2发生从金属到绝缘体的相变，产生较大的折射率调制，且相变温度较低(340 K)，被广泛的应用于热可调超表面。Driscoll 等人将金开口谐振环(SRR)阵列制备于VO2薄膜上，通过温度控制，实现了红外光谱共振协调[67]；通过电流的局域焦耳热效应激发其相变，实现了太赫兹波段如图3(c)所示的共振波长的调制[68]。Liu 等人利用图形化金-VO2-金三明治结构，通过电流热效应使得两个共振反射峰分别产生75%和55%的变化，其变化的迟滞效应可用来做电控可擦写存储设备[69]。除了VO2、GST 相变合金可由温度调制产生非晶态到晶态的变化，广泛应用于可重写光盘，也可被应用于可重构超表面。Tittl 等人将方形铝纳米结构堆叠在Ge3Sb2Te6(GST-326)间隔层和铝镜上，通过加热使材料从非晶态(n=3.5)相变至晶态(n=6.5)，GST 强局域共振由于折射率的极大改变导致共振波长红移0.7 μm，同时保持很高的吸收；且在共振波长下有60%的反射率调制，如图3(d)所示[70]。Mou 等人基于GST 材料实现了吸收峰位的调制，进而扩大了工作带宽[71]。Yin 等人将金纳米天线与GST-326 相结合，基于几何相位，通过对两种不同尺寸金纳米棒的精细设计与空间排布，实现了光束偏转和可调双焦距透镜的功能[72]。罗先刚团队基于GST 材料实现了光子轨道角动量耦合的多重态转换，通过调整其晶体化程度，实现了对称、非对称和关闭的三种光子自旋角动量相互作用[73]。VO2与GST 材料除了相变温度的差异外，另一重要区别在于撤去外部激励后，材料是否可保持相变后的状态。对于VO2材料，温度恢复至相变温度以下，其恢复至初始态；而GST 可保持晶态或非晶态。

液晶作为一种光学各向异性的相变材料，被广泛应用于光电器件和传感器中。对于液晶可调超表面，主要分为两种机制。第一种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。2015 年，Sautter 等人将液晶与硅纳米盘阵列相结合，通过升温诱导液晶从向列相变为各向同性态，实现了如图3(e)所示的40 nm 共振峰位的移动，且对1.64 μm 的入射波产生84%的透过率调制[74]。在此之后，Komar 等人基于相位设计，通过加热液晶超表面至60 ℃，实现了由室温下光束直接透射到12°光束偏转的功能[75]。基于液晶独特的光学性质，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。Kim等人基于几何相位和传输相位相结合的设计，图形化硅纳米结构，实现其对左右旋偏振光有不同的全息图像。通过温度改变初始取向与入射光偏振夹角45°的液晶的状态，从而改变其相位延迟，实现特定温度下左右旋入射光的切换，从而显示不同的全息图[76]。热调谐动态超表面，通常具有较慢的响应速度，成为阻碍其发展的一大瓶颈。此外，无论是基于半导体还是相变材料的热控超表面，其调制范围受限，且较难实现可见光范围的应用。

2.3 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。2006 年，Padilla 等人报道了第一个光泵浦超表面调制器件，将铜SRR 阵列制备在GaAs 衬底上，在波长800 nm 超快激光的激发下，GaAs 衬底电导率变化导致金属SRR 共振被抑制，从而产生太赫兹波段透过率的极强调制[77]。此后，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。谷建强等人基于此机制实现了如图4(a)所示的电磁诱导透明(EIT)，将硅与铝的SRR 结构复合，通过红外激发光诱导硅结构电导率的变化，使得SRR 从开环到闭环，产生有效折射率的极大调制，在0.74 THz 下实现了42%的透过率变化[78]。Shcherbakov 等人利用如图4(b)所示的GaAs衬底上的SiOx/GaAs/AlGaO纳米柱结构，在低于400μJ/cm2的泵浦光激发下，实现了皮秒量级快速响应的35%的反射调制和30 nm 的共振峰位移动[79]。丛龙庆等人基于硅和铝的SRR 复合结构，实现了全光控太赫兹波段的偏振调制和动态光束偏转的功能[80]。除了半导体材料，TCO 也是在近红外至中红外波段常用的光可调超表面材料。Guo 等人用氧化铟锡(ITO)纳米棒阵列在小于7 mJ/cm2的激发光强下实现了近红外和中红外波段的超快透过率调制和共振峰位移动，响应时间在亚皮秒量级，其机制为在光泵浦作用下电子分布的变化[81]。Yang 等人用高迁移率的铟掺杂氧化铬(CdO:In)基于如图4(c)所示结构实现800 fs 超快响应的85%的反射率变化[82]。

图4 几种不同材料的光调谐动态超表面方法。(a) 基于硅和铝SRR 结构的光控太赫兹波调制示意图[78]；(b) 基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的超快光泵浦反射调制示意图[79]；(c) 基于CdO:In 的光控超快反射率调制器件结构示意图[82]；(d) 基于VO2 的太赫兹波激发超表面透过率光谱调制及结构示意图[83]；(e) 飞秒激光直写可擦除超表面器件结构示意图[84]；(f) 基于偶氮乙基红光可调超表面的偏振调制示意图[87]Fig.4 Optically tunable metasurfaces with different active materials.(a) Schematic diagram of the optically controlled THz device based on Si and Al SRR structure[78];(b) Schematic diagram of a III-V semiconductor device with reflection modulated by ultrafast laser pump[79];(c) Schematic diagram of a CdO:In device with optically controlled fast reflection modulation[82];(d) The transmittance spectrum modulation of a VO2-based metasuface modulated by the THz wave,and its schematic diagram[83];(e) Schematic diagram of the erasable metasurface modulated by the femotosecond laser direct writing[84];(f) Schematic diagram of the polarization modulation of an optically controlled metasurface based on azo ethyl red[87]

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。Liu 等人将金SRR 结构在VO2表面图形化，泵浦太赫兹波激发局域电场从0.3 MV/cm 增强至3.3 MV/cm，透过率在0.42 THz 下改变13%，如图4(d)所示，其机制为Poole-Frenkel 效应导致载流子密度提升，在电场作用下加速运动导致电子-晶格耦合产生焦耳热，诱导VO2发生相变，此过程在皮秒量级完成[83]。Wang 等人基于GST 材料制备如图4(e)所示的可擦写超材料器件，利用飞秒激光直写使得局域发生像素化可重构相变，通过对GST的图形化设计，制备了可见波段双色多焦点的菲涅尔波带片、具有亚波长焦距的超振荡透镜、灰度全息、介电超材料器件，实现了多种功能[84]。随后，德国Taubner 教授团队利用GST 相变材料实现了对表面声子-激子的动态调控[85]。除了VO2和GST 材料，液晶也可通过激光热效应来产生相变。Sharma 等人基于扭曲向列相液晶(TNLC)的旋光性，利用近红外飞秒激光的光热效应使其由向列相变为各项同性态，失去旋光功能，从而改变入射至超表面的光的偏振方向，实现了图案可调颜色的功能[86]。此外，一些光敏感分子可在光激发下发生顺反异构转变，也可用于光可调超表面。Ren 等人基于偶氮乙基构建如图4(f)所示的器件结构，利用光激发下偶氮分子从反式异构到顺式的转变，从而改变等离激元耦合模式，实现了对入射光的偏振调制[87]。值得一提的是，光热效应激发的材料形变也会使超表面结构分布产生变化，调制超表面响应。Liu 等人基于液晶弹性体(LCE)的光机械效应，实现了230 nm 的超大吸收谱峰位移动[88]。

2.4 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)[89-93]以及柔性衬底[94-101]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。图5(a)展示了加载MEMS 的可调超表面，能实现不同的相位响应[89]。它的调控原理是：通过在MEMS 上施加不同的电压，来改变悬臂的角度，可以获得不同的相位响应。Cong 等人使用此设计，通过控制各柱的偏压，实现了入射波的动态偏振操纵和太赫兹波段的实时动态全息。图5(b)显示了加载在超表面上的MEMS 如何执行可重新配置的功能[90]。当电压施加在MEMS 上时，电极之间的静电力可以拉起部分光栅，改变整个光栅的形状和周期，并改变超表面的电磁响应。Shimura 等人设计了这种超表面来实现可见光波段的双折射。

而通过柔性衬底来实现可调超表面的早期工作[102-105]，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。Ee 等人将金棒状天线制备在一个PDMS 基底上[106]，在基底被拉伸过程中，超构原子晶格及相邻原子间距被改变，使得原子间的近场相互作用发生变化，从而使整个器件的电磁响应发生变化，实现了一个受拉力控制的变焦透镜。图5(c)展示了在可拉伸的PDMS衬底上用金纳米棒制作的机械可重构光学全息超表面[95]，其具有多达三个在可见光范围内操作的图像平面。拉伸衬底放大了全息图像并改变了图像平面的位置，因此在拉伸时，可以切换不同的显示全息图像。

2.5 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[107-115]。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[111-116]。图6(a)展示了一种在可见光频率下工作的镁(Mg)基的化学活性超表面[110]。使用可寻址Mg 纳米棒，在加氢时氢化成MgH2，加氧时脱氢成Mg，使纳米棒的等离子体响应发生改变，从而实现动态像素变化。这种动态调谐超表面可以实现全息图、光学信息加密、光束调制等多种功能。Duan 等人通过对Mg 纳米棒的加氢脱氢反应，提出了一种基于镁超表面的动态等离激元调控显示技术，实现了动态颜色擦除和恢复[107,111]。Yu 等人使用Mg纳米砖制作超表面，实现了两个不同全息图案之间的切换[108]。Nagasaki 等人通过将 Si 氧化为低折射率的SiO2，展示了一种实现信息加密的“隐形墨水”的结构色应用[114]。

图6 几种不同材料的化学调谐动态超表面方法。(a)基于Mg 纳米砖的可重构全息超表面的(i)动态调制机理及(ii)加氢脱氢反应后显示的不同全息图像[110]；(b)基于液晶的光学全息超表面用于挥发性气体检测(i)左旋和右旋圆偏振光分别入射后的图案及(ii)挥发性气体改变液晶分子取向示意图[115]Fig.6 Chemically tunable metasurfaces with different active materials.(a) Reconfigurable metasurface holograms based on Mg nanobrick:(i) dynamic modulation principle and (ii) different holographic images after hydrogenation and dehydrogenation reaction[110];(b) Optical metasurface holograms based on liquid crystals that are used for volatile gas detection: (i) different images are produced when the left and right circularly polarized light is incident on the metasurface hologram and (ii) the schematic diagram showing the change LC molecular orientation upon contacting volatile gas[115]

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[115-116]。图6(b)展示了一种液晶与全息超表面结合的气体传感器，可以自主感应挥发性气体的存在并提供即时的视觉全息警报[115]。该工作中实现超表面动态调控的原理是利用液晶和氢化非晶硅组成超表面，当出现挥发性气体时，气体分子会扰动液晶的分子有序性，导致液晶从向列相向各向同性态转变，液晶层转换透射光偏振功能发生改变，即入射的右旋圆偏振光(RCP)转变成左旋圆偏振光(LCP)，并且RCP 和LCP 入射到设计好的超表面后会出现不同的全息图像，因此不同圆偏光的入射切换就可以实现即时的视觉全息警报。

3 动态可调谐超表面的应用

3.1 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。如图7(a)所示，胡跃强课题组提出一种集成液晶与介质超表面的方法[38]。通过设计超表面的结构，使其具有线性偏振依赖的焦距变化，然后通过叠加向列相液晶，外加电压控制液晶取向的方向进而选择不同的偏振方向，最终实现成像的焦距可调性质。图7(b)中，Zheludev 课题组通过微流控的方式改变超结构中的金属与介质材料的比例[117]，最终实现焦距的可调谐变化。图7(c)中主要是通过光控机械变化实现微结构的面外弯曲[118]，且在红外波段证明了硅材料在不同强度的激光照射下的连续形变引起的连续焦距调谐。图7(d)通过使用硫系相变材料Ge2Sb2Se4Te1刻蚀制备成为微纳结构[119]，证明了其在无定形态和晶态时不同的焦距状态。图7(e)中，Faraon 团队通过设计两个微结构阵列[58]，并操纵微机电系统改变两个结构之间的距离，从而得到一个大范围及大视野(40°)的可调透镜，并将其应用于三维成像中。图7(f)中，将金属微纳结构放置在软性基底(PDMS)上[106]，通过受力拉伸基底改变结构的周期，进而实现拉伸可调的焦距成像。

3.2 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。计算全息(CGH)的发明为全息显示获取目标相位提供了便利，使用空间光调制器或者数字微镜器件可以实现动态的全息显示。然而，受限于设备的像素尺寸和占空比等因素，这种方式的全息显示存在视场角小、衍射效率低、孪生像等缺点。随着微纳加工技术的进步，超表面为光学全息记录和重建提供了极好的解决方案。静态超表面在相位调制[120]、振幅调制[121]、复振幅调制[122]、非线性调制[123]方面已经展现出了优越的性能，然而，大多数超表面一经制造就无法调整结构，无法实现动态显示。尽管通过多路复用超表面[124-126]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。近年来，通过利用电光效应、自由载流子效应、相变材料、机械拉伸材料、化学反应等方法，超表面全息实现了各种主动调控，并展现出了独特的优势。

得益于与传统的电气设备兼容，电可调的超表面被认为是实现交互式全息显示最具有前途的方式之一[127]。Cui 等人将二极管掺入超表面的晶胞中，可以通过在二极管上施加不同的偏执电压来控制每个晶胞的散射状态[128]。通过改进的CGH 算法计算的相位曲线改变每个单元的二进制可切换状态，如图8(a)所示，可编程全息图能够以数十纳秒的快速重新配置时间再现。液晶具有双折射特性，并且改变电压可以实现偏转，因此可以用于调谐超表面全息。Liu 等人展示了一种通过可见光频率下的几何和传播相位定制其空间频率来实现主动调控超表面全息的方法[129]。每个超表面像素都包含排列在矩形晶格中的金纳米棒。在一些预选(奇数或偶数)列中，纳米棒被介电材料覆盖。通过毫秒时间尺度上的电压信号控制液晶分子偏转来改变相邻奇数列和偶数列之间的相对相位，从而实现全息图的动态调控，如图8(b)所示，在不同电压下全息图中的人物有站立和行走两种姿态。相变材料在不同的温度下对应有不同的光学特性，例如碲化锗锑(GeSbTe，GST)[130-131]和二氧化钒 (VO2)[132-134]。Liu 等人提出了一种使用二氧化钒集成超表面的热调控动态元全息设计[135]。在外部加热下，当温度从25 ℃升高到100 ℃时，重建的图像从“H”变为“G”，如图8(d)所示。机械可调的全息超表面通过拉伸改变晶胞周期，具有简单的结构。Malek 等人提出了一种圆柱形二氧化钛(TiO2)阵列嵌入弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底的机械可调超表面谐振器，以实现光学响应的调制[95]，并构建了一个具有两个图像平面的多平面全息图，每个图像平面中具有不同的全息图像，如图8(c)所示。在其未拉伸的形式中，全息图像“ONE”出现在位于z=200 μm 的图像平面中。当超表面被拉伸1.24 倍时，图像平面沿z方向进一步移动，全息图像“TWO”出现在相同的图像平面上。

超表面结构色的动态显示有着巨大的应用前景。结构色在自然界和日常生活中无处不在，如甲虫、孔雀、蜂鸟、蝴蝶等[136-138]。与化学染料的不同的是，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。结构色与其他超表面应用一样，超表面结构一经制造，其光谱信息就无法修改，难以实现动态显示。然而，使用相变材料、电压调控或者热控可以调谐超表面结构色。最近，Liu 等人提出了一种基于聚合物分散液晶(PDLC)结合铝纳米孔超表面的结构色加密方案[139]。如图8(e)所示，铝纳米孔超表面由矩形和方形孔组成，不对称和对称纳米孔径分别表现出偏振敏感和偏振不敏感的等离激元共振特性。这可以通过设计的非对称和对称纳米孔径的排列来加密光学图像。通过集成PDLC 实现了额外程度的信息加密，无论入射偏振如何，都可以隐藏信息。Xiao等人通过利用破坏性干涉和共振对环境折射率的依赖性，提出并展示了一种选择性控制多路复用彩色图像的超表面全息图的新方法[140]，如图8(f)所示。在明场显微镜下，它是由树木、太阳等组成的“宇宙中的地球”图案。当样品在空气中的红色激光和绿色激光的照射下时，显示的图像是“月下有花蕾的花仙子”，随着二甲基亚砜(DMSO)的渗透，切换到了“月下盛开的兰花周围的两只蝴蝶”。

3.3 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，超表面有望解决这些问题。Huang 等人报告了一个由石英基板、金背板氧化铝薄膜和氧化铟锡层组成的超表面[141]，如图9(a)所示。在金电极上施加偏置电压时，导致在氧化铝薄膜附近形成的载流子浓度变化，从而调制导电氧化物的复折射率。通过施加2.5 V 栅极偏置测量184°的相移和～30%的反射率变化。研究还展示了高达10 MHz 的调制速度和一阶衍射光束的波束控制。进一步，如图9(b)所示，Park 等人在每个单元中使用两个电极控制超表面，实现了独立控制反射光的相位和幅值[142]。当施加的电压发生变化时，相位将经历完全的360°变化，而反射率保持不变。每个电极都可以进行独立寻址，他们演示了在 LiDAR 系统中使用有源超表面作为固态扫描仪来生成 3D 距离图(如图9(c)所示)。

图9 几种典型的可调谐动态光束整形应用。(a) 栅极可调超表面示意图[141]，该结构由石英基板、金背板和覆盖有氧化铝膜和金条状天线的薄ITO 膜组成，在条状天线和底部金之间施加电压，导致在靠近氧化铝处的透明氧化物处形成电荷积累；(b) 电可调通道组成的有源超表面阵列示意图[142]，每个通道由11 个可单独寻址的等离激元纳米谐振器组成，右上方的入射光束从超表面阵列反射，Vt 和 Vb 分别调节上下闸门控制转向光束的方向；(c) 使用超表面SLM 生成的3D 深度图像[142]；(d) 液晶控制的光束切换超表面工作原理图[75]，左边是各向同性态，右边是向列相态；(e) 使用微机电系统-超表面进行二维波前整形在驱动前、反射、聚焦三种驱动情况下微机电系统-超表面的镜面状光反射示意图[59]；(f) 相变超表面光束偏转实验结果，以及相变超表面的SEM 图[72]Fig.9 Dynamically tunable beam shaping.(a) Schematic diagram of a tunable metasurface with adjustable gate electrodes[141].The structure consists of a quartz substrate,a gold back plane,a thin ITO film covered by a thin alumina film,and a gold stripe nanoantenna array on the top.Appling voltages between the stripe antenna and the bottom gold will result in charge accumulation at the transparent oxide near the aluminum oxide;(b) Illustration of the active metasurface array composed of electrically tunable channels,with each channel composed of 11 individually addressable plasmonic nanoresonators[142].The incident beam from the right side is reflected by the metasurface array,and the direction of the reflected beam is steered by adjusting the top and bottom gates,Vt and Vb,respectively;(c) 3D depth image produced using the metasurface SLM[142];(d) Working principle diagram of dynamic beam switching by liquid crystal tunable dielectric metasurfaces[75];(e) Schematic diagram of mirror-like light reflection of MEMS-metasurfaces under three driving conditions: pre-drive,anomalous reflection,and focusing[59];(f) Experimental results of beam deflection using the phase-change metasurface and its SEM image[72]

Komar 等人将液晶与超表面结合[75]，如图9(d)所示，通过加热控制液晶的空间变化，硅纳米盘阵列实现两个衍射阶次的衍射效率改变。在实验中，他们通过加热样品到液晶的清亮点，将输入光束偏转了12°，效率为50%。最直接的调制方式是机械方法，微机电系统(MEMS)上的超表面能够控制光束转向。Bozhevolnyi 等人通过驱动MEMS 反射镜，提供反射光的可控相位和幅度调制[59]。如图9(e)所示，用于动态偏振无关的光束控制和反射式2D 聚焦时，两者都表现出高效(～50%)、宽带(工作波长附近～20%接近800 nm)和快速(＜0.4 ms)。此外，通过改变层间厚度，实现在多个衍射级次之间切换，以实现准连续光束控制。在800 nm 波长的正常入射光下，在三个衍射阶数之间独立于偏振的动态光束控制，实现了在玻璃中的0°、5.2°和10.5°的反射角。相变材料随材料相变，其介电特性会发生很大的变化，因此可逆相变的光学材料也常常用于光束控制。Yin 等人[72]报告了一种基于GST 相变材料的光束动态调控应用，如图9(f)所示，GST 纳米棒在非晶态和晶态时展现出不同的共振峰位。接着，基于几何相位的原理编码各向异性的GST 纳米棒，当圆偏光正入射非晶态GST 超表面后，与入射偏振正交的出射光以+13°的角度出射，而正入射晶态GST 超表面，其出射光以-13°的角度出射，通过改变GST 材料的晶态可以实现光束的动态偏转。

4 结论与展望

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。得益于微纳加工技术的发展，人们可以实现更为严苛的尺寸制备，这为超表面的发展和应用提供了强大的动力。如今，超表面在显示、全息技术、光束偏转、结构色以及其他平面光学应用领域已经取得了极大的进展，器件化和产业化趋势日益增长。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。表1 总结了一些代表性的超表面动态调控工作，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。

表1 超表面动态调控机制及其特性总结Table 1 Summary of tuning mechanisms and characteristics of dynamic metasurfaces

电调谐超表面使用二维材料作为超表面的一部分，利用其优异光电特性可能是一个解决挑战的突破口；液晶材料由于其成熟的工艺和生产技术，并且具有调控范围大、工作带宽广、生物兼容性好、调控手段多样等特性对于超表面动态调控的多功能化和产业化有推动作用；另外，还可以采用纳米尺度的金属线材或导电高分子作为电极材料，利用微纳加工技术制备高精度的电极结构，同时通过优化器件设计降低驱动电压，减小功耗。热调谐超表面的快速响应需要设计和开发具有高热导率和低比热容的材料。热电材料或热敏材料可以作为超表面的结构材料，通过优化热传导路径，提高其热传输效率。光调谐动态超表面由于其非接触式的调控手段，有望在未来的实际应用中大放异彩，但是对于宽谱且低阈值响应的光控材料开发和研究是关键。可利用非线性光学效应，如光致变色材料或二维材料实现光调谐超表面。基于MEMS 的高精度机械调控是未来精密调控的主要手段之一，但是目前对于MEMS 材料的抗疲劳性及其结构稳定性是需要进一步探索的。压电材料或形状记忆合金等材料有望可以用于超表面的制备，以提高其机械动态调控的稳定性和结构鲁棒性。对于化学调控的动态超表面而言，化学反应的速率和精确可控性是需要平衡的，可以利用化学吸附/脱附等过程实现对表面性质的可控调控。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。