光学超材料的本领不只有隐形【让镜头更轻薄、信号不受扰、颜色更高级……】

(资料图片仅供参考)

【走近超材料④】

◎实习记者 沈 唯

光学超材料就是利用波长与光的波长相近或更短的人造结构来调控光的行为，包括光的强度、偏振态和相位等。光学超材料依然遵循物理规律，只是在研究视角和研究尺度上和传统的光学材料有所不同，需要在微米、纳米等亚波长尺度下设计和调控材料的电磁学性质。

光学超材料是由亚波长结构单元或具有特异电磁特性的超原子组成的人工微纳结构材料。通过人工改变构成材料的结构单元，可使光学超材料表现出一些新奇的光学性质。例如，特殊的微纳结构让光学超材料能够以特定的方式对光的传输进行调控，从而达到隐形效果。

什么是光学超材料？光学超材料未来还有哪些改变人们生活的应用场景？日前，华中科技大学光学与电子信息学院教授杨振宇、张诚和副教授缪灵接受了科技日报记者专访，揭开了光学超材料的“神秘面纱”。

通过改变材料结构来调控光的行为

一块透明的玻璃，通过改变成分可以让它的透光率和颜色发生变化。而除了调节成分以外，还可以通过在这块玻璃表面刻上像窗纱一样的具有周期性的亚波长格子图案，来使直射在它表面的光发生偏转或者反射，甚至让它产生透镜的效果。“通过改变材料结构让自然材料变成一种人工材料，产生它原本没有的特性，这就体现了光学超材料中‘超’的特点。”缪灵说。

从专业角度来讲，光学超材料就是利用波长与光的波长相近或更短的人造结构来调控光的行为，包括光的强度、偏振态和相位等。光学超材料依然遵循物理规律，只是在研究视角和研究尺度上和传统的光学材料有所不同，需要在微米、纳米等亚波长尺度下设计和调控材料的电磁学性质。

“大致上光学超材料的研究主要集中在设计和加工制备这两个方向。”杨振宇介绍，在光学超材料的设计上，现在既有基于麦克斯韦方程组或者声学、热学、力学中对应的传统设计方法，也有将深度学习、人工智能引入超材料设计的新方法。

在制备技术层面，则可以根据维度的不同将光学超材料分为二维超材料和三维超材料。二维超材料以光学超表面为代表，可以在很薄的一层亚波长结构上实现对入射光的调控。相比三维的体超材料，光学超表面具有一定的加工优势，可以完全兼容平面化的传统半导体微加工方式，因此成为主流的研究方向。而三维的光学超材料则主要利用自组装、多层纳米结构、激光3D打印等技术来制备。

光学超材料应用领域十分广阔

光学超材料可用于光学器件及光学传感器制造，例如光学超透镜就是利用光学超表面设计加工出来的一种具有透镜功能的器件，可用其来构建小巧、紧凑、高质量的成像系统。此外，利用光学超材料及超表面技术，有望研制高性能、多功能和集成化的光学器件，打破传统光学技术的限制，在紫外、深紫外，甚至真空紫外波段应用。

在能源和环境领域，越来越多的科研团队正想方设法地在太阳能电池板的表面甚至是内部结构中，利用光学超材料来提升太阳能电池板的光电转换效率。

光学超材料的另一个研究方向是结构色，也称物理色。张诚介绍，像大自然中孔雀的羽毛还有蝴蝶的翅膀，它们看起来很漂亮的颜色并不是因为里面含有某些化学物质或者染料，而是因为它们的微观结构导致其与入射的太阳光发生了相互作用。“基于此，我们可以去设计各种人工微观结构，做出我们想要的颜色。”他说。结构色是依靠结构本身产生的颜色，其不依赖化学物质，具有良好的持久性和稳定性，应用在彩色打印和照片冲洗上，可以达到在日照下不褪色的效果。“结构色还可以用于制作口红或者汽车喷漆，不仅无毒无害，而且合成出来的颜色在视觉效果上往往也更高级。”张诚说。

在通信领域，光学超材料已有非常成熟的应用。光子晶体光纤从本质上讲也是一种光学超材料，要通过人为的制备和加工才能够形成这样的微结构光纤。杨振宇表示，学术界对光子晶体光纤的研究已经有十几年的历史，这种光纤在很多光学应用场合都占据一席之地。

智能超表面则是光学超材料领域的一项新的“黑科技”。作为一种基础性创新技术，智能超表面具有低成本、低能耗、可编程、易部署等突出优点，对6G通信技术发展有重要作用。“当我们通过提高电磁波的载波频率来提高信息容量的同时，电磁波的定向性也会随之加强，就像家里的Wi-Fi信号从覆盖整间屋子变成了只有固定的几个方向信号强。而智能超表面可以通过设计信号覆盖的局域位置，让每个角落都有信号。”缪灵表示，除了在家庭环境中，智能超表面还可以在楼宇间布置，减少高楼大厦对信号尤其是高频段信号的遮挡效应。

2021年，华中科技大学武汉光电国家研究中心陶光明教授团队与浙江大学马耀光教授团队、中国纺织科学研究院有限公司等多家单位开展交叉学科联合创新，基于形态学分级设计研发出无源降温光学超材料织物。该织物实现了太阳辐射波段92.4%的反射率以及中红外波段94.5%的发射率。其降温效果好，可穿戴性能高，应用前景广阔，入选应用研究类“2021中国光学十大进展”。

走向产业化充满机遇和挑战

从实验室走向产业化、市场化的过程往往充满困难和挑战，光学超材料也不例外。“任何技术或者理论要想推向市场并获得广泛应用，都建立在制备工艺可实现规模化生产的基础上，但目前仅二维的光学超表面的制备难度就已经非常高了。”杨振宇表示，光学超表面的微结构特征尺度大都在几十纳米到百纳米的亚光学波长量级，要想实现大面阵的微结构加工，就需要克服高成本、长制备周期等问题。

“光学超材料的应用并不是孤立的，不仅要考虑超材料本身的设计制备，还要考虑在与其他已有器件集成的过程中如何更好地结合。此外我们还希望做出来的光学超材料具有可控性、稳定性，这些都是今后研究的重点和难点。”杨振宇说。

缪灵认为，找到一个好的应用场景，是让光学超材料从科研走向应用的关键所在。尽管距离“隐身衣”的实现还很遥远，但光学超材料对人们生活方方面面的改变，依然值得期待。“比如电磁超表面可以和智慧道路结合起来。现在的汽车越来越智能化，通过毫米波雷达可以和智慧道路不断进行交互。电磁超表面的应用可以让汽车的雷达信号源与道路交互的时候信号互相不干扰，并一直保持强信息交互。”他介绍。

光学超表面的应用还有望替代传统的光学镜头，实现平面化、多模式的成像方式，在成像效果不变甚至更强大的前提下让手机、相机的镜头变得更轻薄，提升便携性。“超材料还可以用于AR、VR设备，让显示效果更好，设备重量更轻，增强人们的体验感和佩戴舒适感。”张诚说。