人工电磁超构表面：灵活调控电磁波的新手段
从蓝牙互连、WiFi无线局域网接入到手机通讯、4G上网等，电磁波无处不在地融入人们的生活中，它通过无线连接的方式，方便了人与人、人与世界的交流和沟通。另外，电磁波传播特性的调控也在信息处理系统、传感及监测、电磁成像、雷达探测等技术中起到重要作用，已广泛应用于各个领域。
近年来，随着信息技术日新月异的发展，人们对电磁波这一主要信息通信载体调控技术的需求也越来越高。面对日益复杂化的电磁环境、通信要求，以及设备小型化、集成化的发展趋势，电磁波散射、极化、波束、传播方式等各方面的调控技术显得尤为重要，如何在有限尺寸和空间条件下实现高效的电磁波调控已成为困扰研究人员的主要难点与问题。
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当前，传统的材料及其电磁波调控器件已经很难满足日益增长的电磁调控发展需求。这时，超构材料（metamaterial）作为一种人工设计的基本单元及其空间序构的排列来构筑的新材料，实现了许多自然材料所不具备的新奇电磁现象及电磁调控功能，形成了材料、器件研究领域的新“范式”，是时下国际新兴的研究热点。
尤其是2011年后，二维形式的人工电磁超构表面（metasurface）的提出及应用，进一步为新一代的电磁调控技术发展带来良好机遇。超构表面由结构尺寸远小于工作波长的单元在二维平面内排列而成，它大大缩小了器件的厚度尺寸，而其具备的奇异电磁特性使电磁波调控器件的发展更加趋于小型化、平面化、共形化、多样化，更是拓展了人们对电磁波调控的手段和方法。
近几年来，冯一军教授领导的南京大学微波技术实验室（属于南京大学电子科学与工程学院“无线电物理”国家重点学科、国防科工局“电磁波特征信息调控技术”重点学科实验室、江苏省“电磁波先进调控技术”重点实验室）一直致力于超构材料及相关应用的研究，从2010年开始，课题组在国家自然科学重大基金项目、教育部科技研究重大项目支持下，积极开展电磁超构表面的研究，并取得了一系列突出的研究成果。
例如利用优化设计的惠更斯超表面进行相位补偿，有效改善了普通微波贴片天线的增益和带宽，相关研究内容的论文发表后即获得国际同行的广泛关注，成为AIP Advances杂志当季下载排行第一的论文。不仅如此，课题组还率先开展了有源超构表面的研究工作，创新性地将电磁场理论与电路理论相结合，建立了有效的微波有源超构表面分析方法和设计思想，实现了反射相位0-360度完全动态可调的超构表面。论文发表后国家自然科学基金网在“基金要闻”中对研究成果进行了报道，并给予了积极评价。
随后，课题组进一步将研究内容扩展至透射型超构表面中，从理论上推导出实现透射和反射幅度和相位的任意调控的方式，并提出了一种直观简单的超构表面设计方案，进行了实验验证。另外，课题组还通过人为的设计和优化超构表面单元的空间分布特性，在微波波段实现了随机散射人工电磁表面。在入射电磁波照射下，可具有类漫反射现象的散射特性，从而在宽带内实现了背向电磁散射缩减的目的。相比于传统缩减散射的微波吸波材料，此类电磁超构表面更加轻薄，甚至可设计成具备光学透明性质，在电磁隐身技术、物体散射特性调控、电磁兼容等方面都具有较大的应用潜力。
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值得一提的是，2016年是电磁超构表面技术取得飞跃发展的一年，许多重量级研究工作相继出现。其中，哈佛大学利用超构表面技术实现了低成本、超薄光学透镜（metalens），给众多光学设备带来了变革性影响，并入选了美国Science周刊2016年十大科技突破。
但就目前而言，超透镜在设计制备后，其焦距和成像性能均难以改变，这在一定程度上限制了其应用范围的进一步扩展。这一问题实际上也存在于其他类型超构表面中，已逐渐成为制约超构表面发展的重要因素之一。为此，冯一军教授领导研究组成员创新性地在微波频段研制了首款可重构透镜的原型器件。具体来说，研究人员们将微波变容管耦合到超表面单元的结构设计中，随后可通过预先设定的程序独立、连续控制每个单元的电磁响应特性，从而实现对微波信号的任意焦点位置聚焦、任意多焦点聚焦及动态焦点的快速扫描等一系列调控功能（如图2所示）。
这一研究的核心思想在于引入可调、可重构元件，并通过合理的优化设计实现超构单元的透射相位连续可变。研究者们选用了电压调控的方式作为实现可重构的首选方案，相比于其他如机械形变、热调控等方式，电压调控的响应速度更具明显优势，可实现电磁调控的快速实时响应，更具发展潜力。实验测量中，该透镜的响应速度可为10微秒左右，即一秒钟可以实现10000次的功能切换。
在透射型超构表面研究中，效率是衡量研究工作的重要标准之一。高效率意味着更多的能量能够穿过超构表面，避免电磁能量资源的浪费，提升工作性能和整体电磁能量利用率。有了前期的实验室研究工作的积淀，这一问题在实际研究中迎刃而解，研究人员们基于惠更斯等效原理的概念，利用超构单元结构特性产生一定的磁流和电流，再经优化设计，最终使该超构结构能够实现几乎无反射的透射调控，从而在现有的实验制备条件下，使透射效率及聚焦效率最大化。
实验表明冯教授课题组研制的超透镜在外界电压序列的作用下，其聚焦焦点可沿特定的轨迹逐点快速扫描，也可实现两（或多）焦点的任意位置聚焦。据悉，新型透镜集亚波长厚度、高透射效率、实时连续可重构性、任意程序控制和快速响应等优势于一身，可助推超构表面透镜技术在动态、复杂电磁波调控中的应用，并为全息成像、波束赋形和扫描、可重构天线等实际器件的研制奠定良好的研究基础。
另外，该可重构透镜的设计方法和原理具有良好的可拓展性，能进一步在太赫兹、红外及可见光领域得以应用，可实现小型、高效的光学镜片和动态成像系统，具有广阔的应用前景。
此外，该工作已于2017年2月24日以“A Reconfigurable Active Huygens' Metalens”为题发表在国际权威期刊《Advanced Materials》(DOI: 10.1002/adma.201606422; http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201606422/full)。
冯一军：南京大学电子科学与工程学院教授、博士生导师，现任国防科工局国防重点学科实验室常务副主任、江苏省“先进电磁波调控技术”重点实验室副主任。
陈克：南京大学电子科学与工程学院博士后。
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