超表面是一種厚度小于波長(zhǎng)的人工層狀材料，通常由周期性或準(zhǔn)周期性的亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)組成。這些單元結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波的偏振、振幅、相位、極化方式和傳播模式等特性的靈活調(diào)控。

一、超表面定義與特性

超表面通過精確設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)控。其結(jié)構(gòu)單元通常具有微米或納米級(jí)別的尺寸，能夠通過改變結(jié)構(gòu)單元的尺寸、形狀和材料屬性等幾何參數(shù)來影響電磁波的傳輸和反射特性。

超表面示意圖

二、超表面分類

根據(jù)調(diào)控的波種類，超表面可以分為光學(xué)超表面、聲學(xué)超表面和機(jī)械超表面等。其中，光學(xué)超表面是最常見的類型，通過亞波長(zhǎng)的微結(jié)構(gòu)調(diào)控電磁波的偏振、相位、振幅和頻率等特性。

三、超表面應(yīng)用領(lǐng)域

1.成像與傳感

超表面技術(shù)可用于高像素成像和可視化生物傳感。通過改變超表面結(jié)構(gòu)單元的尺寸和形狀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色的自由調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)高像素成像。此外，超表面還可以用于生物傳感，通過檢測(cè)生物分子與超表面之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的檢測(cè)。

2.通信

在無線通信系統(tǒng)中，超表面可以替代傳統(tǒng)的天線和其他通信組件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效傳輸和接收。通過編程和動(dòng)態(tài)調(diào)控，超表面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基站發(fā)射信號(hào)有控制的反射和透射，提高通信系統(tǒng)的性能和可靠性。

3.隱身技術(shù)

超表面在隱身技術(shù)中也有重要應(yīng)用。通過調(diào)控電磁波的散射特性，超表面可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的隱身效果，這對(duì)于軍事裝備和設(shè)施的隱蔽性至關(guān)重要。

4.其他領(lǐng)域

超表面還可應(yīng)用于光電子器件、能源和生物醫(yī)療等領(lǐng)域。例如，超表面可以用于制作高效的太陽(yáng)能電池和紅外檢測(cè)器；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，超表面可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像和生物傳感等功能。

四、超表面研究歷史與發(fā)展趨勢(shì)

超表面的概念最早由哈佛大學(xué)的Capasso課題組在2011年提出，他們利用不同形狀的V型天線的周期性排列得到了可以異常透射的超表面，稱為Metasurface。近年來，隨著技術(shù)突破，部分超表面產(chǎn)品逐漸進(jìn)入量產(chǎn)階段，如超表面光操控芯片、超透鏡等，市場(chǎng)空間不斷擴(kuò)大。預(yù)計(jì)到2028年，全球超表面產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到90億美元。