讓鏡頭更輕薄、信號(hào)不受擾、顏色更高級(jí)……

光學(xué)超材料的本領(lǐng)不只有隱形

實(shí)習(xí)記者 沈 唯

(資料圖片)

光學(xué)超材料就是利用波長(zhǎng)與光的波長(zhǎng)相近或更短的人造結(jié)構(gòu)來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(lái)還有哪些改變?nèi)藗兩畹膽?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(chéng)和副教授繆靈接受了科技日?qǐng)?bào)記者專(zhuān)訪(fǎng)，揭開(kāi)了光學(xué)超材料的“神秘面紗”。

通過(guò)改變材料結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控光的行為

一塊透明的玻璃，通過(guò)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(guò)在這塊玻璃表面刻上像窗紗一樣的具有周期性的亞波長(zhǎng)格子圖案，來(lái)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(guò)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(méi)有的特性，這就體現(xiàn)了光學(xué)超材料中‘超’的特點(diǎn)。”繆靈說(shuō)。

從專(zhuān)業(yè)角度來(lái)講，光學(xué)超材料就是利用波長(zhǎng)與光的波長(zhǎng)相近或更短的人造結(jié)構(gòu)來(lái)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(zhǎng)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。”楊振宇介紹，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(zhǎng)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(lái)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(lái)的一種具有透鏡功能的器件，可用其來(lái)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(lái)越多的科研團(tuán)隊(duì)正想方設(shè)法地在太陽(yáng)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(lái)提升太陽(yáng)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(chēng)物理色。張誠(chéng)介紹，像大自然中孔雀的羽毛還有蝴蝶的翅膀，它們看起來(lái)很漂亮的顏色并不是因?yàn)槔锩婧心承┗瘜W(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(yáng)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。”他說(shuō)。結(jié)構(gòu)色是依靠結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生的顏色，其不依賴(lài)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(chē)噴漆，不僅無(wú)毒無(wú)害，而且合成出來(lái)的顏色在視覺(jué)效果上往往也更高級(jí)。”張誠(chéng)說(shuō)。

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(guò)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(guò)提高電磁波的載波頻率來(lái)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(guò)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)。”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(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(guó)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(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司等多家單位開(kāi)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(wú)源降溫光學(xué)超材料織物。該織物實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)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(lèi)“2021中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”。

走向產(chǎn)業(yè)化充滿(mǎn)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(guò)程往往充滿(mǎn)困難和挑戰(zhàn)，光學(xué)超材料也不例外。“任何技術(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(zhǎng)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(zhǎng)制備周期等問(wèn)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(guò)程中如何更好地結(jié)合。此外我們還希望做出來(lái)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(shuō)。

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。“比如電磁超表面可以和智慧道路結(jié)合起來(lái)。現(xiàn)在的汽車(chē)越來(lái)越智能化，通過(guò)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(chē)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。”他介紹。

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。“超材料還可以用于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(chéng)說(shuō)。

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