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

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什么是光學超材料?光學超材料未來還有哪些改變?nèi)藗兩畹膽脠鼍?日前，華中科技大學光學與電子信息學院教授楊振宇、張誠和副教授繆靈接受了科技日報記者專訪，揭開了光學超材料的“神秘面紗”。

通過改變材料結構來調(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)生偏轉或者反射，甚至讓它產(chǎn)生透鏡的效果。“通過改變材料結構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)了光學超材料中‘超’的特點。”繆靈說。

從專業(yè)角度來講，光學超材料就是利用波長與光的波長相近或更短的人造結構來調(diào)控光的行為，包括光的強度、偏振態(tài)和相位等。光學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)的光學材料有所不同，需要在微米、納米等亞波長尺度下設計和調(diào)控材料的電磁學性質(zhì)。

“大致上光學超材料的研究主要集中在設計和加工制備這兩個方向。”楊振宇介紹，在光學超材料的設計上，現(xiàn)在既有基于麥克斯韋方程組或者聲學、熱學、力學中對應的傳統(tǒng)設計方法，也有將深度學習、人工智能引入超材料設計的新方法。

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

光學超材料應用領域十分廣闊

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

在能源和環(huán)境領域，越來越多的科研團隊正想方設法地在太陽能電池板的表面甚至是內(nèi)部結構中，利用光學超材料來提升太陽能電池板的光電轉換效率。

光學超材料的另一個研究方向是結構色，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為里面含有某些化學物質(zhì)或者染料，而是因為它們的微觀結構導致其與入射的太陽光發(fā)生了相互作用。“基于此，我們可以去設計各種人工微觀結構，做出我們想要的顏色。”他說。結構色是依靠結構本身產(chǎn)生的顏色，其不依賴化學物質(zhì)，具有良好的持久性和穩(wěn)定性，應用在彩色打印和照片沖洗上，可以達到在日照下不褪色的效果。“結構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。”張誠說。

在通信領域，光學超材料已有非常成熟的應用。光子晶體光纖從本質(zhì)上講也是一種光學超材料，要通過人為的制備和加工才能夠形成這樣的微結構光纖。楊振宇表示，學術界對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應用場合都占據(jù)一席之地。

智能超表面則是光學超材料領域的一項新的“黑科技”。作為一種基礎性創(chuàng)新技術，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，對6G通信技術發(fā)展有重要作用。“當我們通過提高電磁波的載波頻率來提高信息容量的同時，電磁波的定向性也會隨之加強，就像家里的Wi-Fi信號從覆蓋整間屋子變成了只有固定的幾個方向信號強。而智能超表面可以通過設計信號覆蓋的局域位置，讓每個角落都有信號。”繆靈表示，除了在家庭環(huán)境中，智能超表面還可以在樓宇間布置，減少高樓大廈對信號尤其是高頻段信號的遮擋效應。

2021年，華中科技大學武漢光電國家研究中心陶光明教授團隊與浙江大學馬耀光教授團隊、中國紡織科學研究院有限公司等多家單位開展交叉學科聯(lián)合創(chuàng)新，基于形態(tài)學分級設計研發(fā)出無源降溫光學超材料織物。該織物實現(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，應用前景廣闊，入選應用研究類“2021中國光學十大進展”。

走向產(chǎn)業(yè)化充滿機遇和挑戰(zhàn)

從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化、市場化的過程往往充滿困難和挑戰(zhàn)，光學超材料也不例外。“任何技術或者理論要想推向市場并獲得廣泛應用，都建立在制備工藝可實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的基礎上，但目前僅二維的光學超表面的制備難度就已經(jīng)非常高了。”楊振宇表示，光學超表面的微結構特征尺度大都在幾十納米到百納米的亞光學波長量級，要想實現(xiàn)大面陣的微結構加工，就需要克服高成本、長制備周期等問題。

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

繆靈認為，找到一個好的應用場景，是讓光學超材料從科研走向應用的關鍵所在。盡管距離“隱身衣”的實現(xiàn)還很遙遠，但光學超材料對人們生活方方面面的改變，依然值得期待。“比如電磁超表面可以和智慧道路結合起來。現(xiàn)在的汽車越來越智能化，通過毫米波雷達可以和智慧道路不斷進行交互。電磁超表面的應用可以讓汽車的雷達信號源與道路交互的時候信號互相不干擾，并一直保持強信息交互。”他介紹。

光學超表面的應用還有望替代傳統(tǒng)的光學鏡頭，實現(xiàn)平面化、多模式的成像方式，在成像效果不變甚至更強大的前提下讓手機、相機的鏡頭變得更輕薄，提升便攜性。“超材料還可以用于AR、VR設備，讓顯示效果更好，設備重量更輕，增強人們的體驗感和佩戴舒適感。”張誠說。

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