太赫兹信息超材料与超表面（一）

刘峻峰, 刘硕, 傅晓建, 崔铁军    

摘要：该文对信息超材料，包括数字超材料、编码超材料、以及可编程超材料的研究进展及其在太赫兹领域的应用进行了综述，从原理分析、数值仿真、样品制备、实际应用等多个角度介绍了信息超材料对电磁波全面而灵活的调控能力，着重探讨了编码超材料在太赫兹领域的发展以及应用，最后阐述了现场可编程超材料的原理及其在构建新型成像系统、新概念雷达中的应用。信息超材料与超表面对太赫兹波束的灵活调控可用于制作波束分离、低雷达散射截面等多种功能器件，为太赫兹频段电磁波的实时调控开辟了新的途径。

关键词：太赫兹    信息超材料    编码超表面    数字可编程    雷达    

Terahertz Information Metamaterials and Metasurfaces

Liu Junfeng, Liu Shuo, Fu Xiaojian, Cui Tiejun    

Abstract: In this paper, we review the recent developments on information metamaterials, including digital metamaterials, coding metamaterials, and programmable metamaterials; furthermore, we discuss their applications in the terahertz (THz)-frequency region. In addition their flexibility to manipulate the electromagnetic waves, the physical principle, numerical simulation, fabrication, and application of information metamaterial are discussed in detail. Moreover, we developed and applied a coding metasurface that works in the THz band. Furthermore, the principle of real-time programmable metamaterials and their application in novel imaging systems and radar systems are illustrated. Information metamaterials and metasurfaces can be used for various functional devices such as beam splitting and low radar cross section, which open up a novel route to manipulate THz radiations.

Key words: Terahertz    Information metamaterials    Coding metasurface    Digital and programmable    Radar    

1 引言

太赫兹电磁波是指频率为0.1～10 THz，波长为3 mm～30 μm的电磁波。由于太赫兹频段的波长远小于微波毫米波，因此非常适合应用于高分辨率成像、微小目标检测等领域。近年来，超材料(Metamaterials)对电磁波的调控能力，受到了人们的广泛关注。自然界中材料的电磁特性取决于其分子构成与排列的方式，而构成超材料的基本单元处于亚波长尺度，并按照一定的周期结构在3维空间中进行排列，因此在宏观上可以认为超材料是等效均匀媒质，可以采用等效介电常数ε_eff和等效磁导率μ_eff来描述超材料的电磁属性，相应的参数提取方法^[1]如今已经很成熟。通过改变单元结构的尺寸以及排列的方式，可以设计出所需要的等效媒质参数。因此超材料能够实现天然材料无法实现的电磁特性，例如零折射率、负折射率、负介电常数等等。这一思路也促进了相关电磁器件的研制，比如雷达散射截面缩减、隐身衣、透镜天线、高分辨率成像等等。但由于超材料需要利用材料空间上带来的相位累积，以实现对电磁波的调控，因此需要一定的厚度。这将导致加工难度增大，并且会提高材料带来的损耗。尤其在太赫兹频段，由于加工工艺的原因，3维超材料的实现有着非常大的难度，这限制了超材料在太赫兹频段的应用以及发展。

为了克服超材料的局限性，电磁超表面(Metasurface)被提出来。电磁超表面是将单元结构在2维平面上进行周期排列，构成了2维形式的超材料。研究表明^[2]，超表面对电磁波的调控原理不再是空间上相位的累积效果，而是电场以及磁场在单元结构两侧产生的相位以及幅度的突变特性，来调控电磁波在空间中的相位以及幅度的分布。相比3维超材料，超表面在以下几个方面表现出巨大的优势：首先，超表面具有亚波长厚度，因此其在体积和重量上要远小于3维超材料，这非常有助于器件的小型化，例如采用惠更斯表面原理的偏折透镜和聚焦透镜^[3]，其厚度要远小于基于传统3维超材料的透镜天线；其次，在太赫兹、红外以及可见光波段加工具有3维立体结构的超材料具有很大的挑战性^[4]，而超表面由于只具有单层或者两至三层金属结构，因此采用标准的光刻流程便可轻易地加工微纳尺度级别的超表面，无论是加工难度还是成本均远小于3维超材料，有力地促进了超表面在太赫兹、红外以及可见光波段的理论研究和实验验证；最后，超表面因其超薄的优良特性，可加工在柔性介质上 (如聚酰亚胺)，形成可弯折、可共形、柔性的超材料，例如崔铁军教授团队提出的微波段柔性表面等离激元传输线(Spoof SPPs)^[5–7]，这种单层金属结构的传输线具有优良的电磁波束缚能力和低串扰特性，即使结构处于弯折、扭曲的状态下，电磁波依旧可以高效率地在其上传输，仅有很小一部分的能量辐射到自由空间。预计在不久的将来，这些柔性超表面将有希望与柔性电路相集成，在柔性微波电路、智能蒙皮共形天线和可穿戴设备等领域产生十分广阔且深远的影响。

本文将重点介绍过去几年内太赫兹领域数字编码超材料以及可编程超材料的发展情况，并对其基本概念、工作原理、设计方法进行论述。该研究为太赫兹频段的超材料研究提供了新的思路。

2 太赫兹超材料的研究现状

美国哈佛大学的Capasso教授团队在2011年的《科学》期刊上提出了广义斯涅尔定律^[2]，即通过引入相位突变的概念，从而使分界面沿切向方向有跳变的相位，这便将传统的斯涅尔定律扩展到了广义斯涅尔定律。该论文中设计了具有不同张角和朝向的V字型单元结构，将这些具有不同突变相位的V型天线以梯度或者某种特定相位分布在平面上排列，构成单层新型人工电磁表面，如图1所示。此人工电磁表面实现了对交叉极化电磁波的360°的全相位调控，进而实现了对入射电磁波的异常偏折 (负折射)、异常反射以及聚焦等功能。这种方法极大地增强了新型人工电磁表面对电磁波的调控能力。随后，这一思路被广泛用于设计一系列调控电磁波的器件中，包括利用V型结构在光频制作的全息图像^[8]，利用矩形缝隙在光频段实现的表面等离激元的耦合与激励^[9]，利用梯度渐变分布的H型单元结构来实现垂直入射空间波到表面波的高效转换^[10]等等。

图 1 基于广义斯涅耳定律的的电磁超表面[2]Fig.1 Metasurface based on generalized reflection and refraction laws[2]

上述基于相位突变的电磁超表面通常由单层金属结构构成，相位突变是提供给反射波的。工作时入射波会被反射回去，导致透射率较低。为了降低超表面的反射率，提高透射率，美国密歇根大学的Pfeiffer与Grbic设计了一种被称为惠更斯表面的超表面^[3]，其拥有一层电响应结构和一层磁响应结构。这种超表面理论上能够实现任意的透射幅度和相位，从而能够以近乎100%效率实现波束偏折和聚焦等功能。从以上报道可见，3维的电磁超材料能完成的电磁波调控，利用电磁超表面同样可完成，且相比之下超表面具有低损耗、低成本、低剖面和易共形等巨大优势，更加有利于工程化和实用化。

3 数字编码超材料的工作原理

在2014年，东南大学崔铁军教授首次提出了采用数字编码表征的超表面^[11]，并由此提出了调控电磁波的新机制。与传统超材料的等效媒质理论相比，编码超材料建立起数字表征与物理实现的桥梁，使得对电磁波的调控更为多样化。在文献[11]中，编码超表面单元的工作状态(反射/透射相位)可以由有限个二进制数值来表示，所以也被称为数字超表面。图2展示了一种工作在微波段的1-bit编码超表面，其中数字“0”和“1”分别代表反射相位为0°和180°的两种单元，以上所述的相位值并非绝对相位，其值的大小并不影响编码超表面的功能和性能，在设计时只需要保证两个数字态在工作频率下的相位差为 180°即可。虽然每个数字单元的状态只有两个，但当这些以数字表征的单元结构在2维平面上以M×N方式周期排列时，便存在2^M×N种排列方式，每种排列方式对应一种编码图案，当电磁波入射到这些各式各样的编码图案上时，便可产生不同的远场方向图。

图 2 反射型的编码超表面基本单元[11]Fig.2 The Metamaterials particle for realizing the coding metasurface[11]

图2给出了反射型的单元结构示意图，单元由3部分组成：最上层为金属贴片，中间是厚度为h的介质板，最底层为整片金属层，这样保证了透射率为零的同时有着较高的反射率。调节上层金属贴片的长宽，便可以获得“0”和“1”编码单元所需的相位。从图中可看出，当频率在7～14 GHz变化时，相位差在60°至200°之间波动，在8.7 GHz和11.5 GHz两个频点处恰好180°。虽然这类无源单元结构的理想工作频率范围 (对1-bit情况，即相位差要求满足180°) 通常较窄，但在大多数实际应用中，当相位差处于160° 至200°范围内时，编码超表面依旧可表现出较好的功能和性能。

相邻单元结构之间的耦合会导致相位响应与设计产生偏差，为了降低这些偏差，通常超表面会引入超级子单元(super-unit-cell)的概念，超级子单元通常包括3×3或者5×5个基本单元(unit cell)，在同个超级子单元中，每个基本单元的相位响应是一致的，这样有效地降低相邻单元之间因为结构不同所带来的反射相位恶化以及串扰问题。对于超级子单元进行编码，当编码图案变为“010101···”序列时，垂直入射波束被反射后，分为两个具有相同俯仰角的波束，位于法线对称的两个方向上，如图3(a)所示。而当编码变为棋盘格分布时，其辐射方向图将出现4个具有相同俯仰角波束，如图3(b)所示。1-bit的编码单元实现了0°和180°的相位分布，如果将 360°相位四等分，可形成 2-bit的编码超表面。通过调节图2(a)中所示的1-bit单元结构的边长w，可将其扩展为2-bit编码单元结构，包括“00”、“01”、“10”、“11”4个编码，分别对应0°、90°、180°和270°反射相位。同理，对于更高阶数的n-bit编码超表面，存在2ⁿ个编码单元，相邻单元之间相位相差360°/2ⁿ。对于相位差为180°的1-bit超表面，其远场方向图总是关于法线镜像对称，然而对于2-bit和n-bit (n>2) 编码超表面来说，其远场方向图可以为非对称形式，实现其他诸如单波束、多波束和随机漫反射等功能，极大地拓展了编码超表面所能产生的远场方向图的种类。