近几十年来，光学超表面能够在亚波长尺度上操纵具有厚度的光的特性，一直是广泛研究的主题。这项研究主要是因为它们有可能克服传统笨重光学设备的局限性。然而，大多数现有的光学超表面仅限于平面和刚性设计、功能和技术，这极大地阻碍了它们向通常涉及复杂表面的实际应用的发展。二维 （2D） 平面结构和三维 （3D）曲面之间的脱节越来越明显。在过去的二十年里，柔性电子的出现开创了超表面的新兴时代。西电杭州研究院周赟磊、江山等人联合加州大学洛杉矶分校陈俊教授共同发表综述，这篇综述深入探讨了这一前沿领域，重点关注柔性和保形设计和制造技术。在综述中，作者首先回顾了光学超表面现代研究的里程碑和轨迹，并简要概述了它们的理论基础和主要分类。然后展示了光学超表面的四种先进应用，强调了它们在成像、生物传感、隐身和多功能性等领域的广阔前景和相关性。随后探讨了光学超表面的三个关键趋势，包括机械可重构超表面、数控超表面和共形超表面。最后总结了我们对该领域持续挑战和机遇的见解。相关成果以“Flexible Metasurfaces for Multifunctional Interfaces”为题发表在《ACS Nano》上

光学超表面研究进展

光学超表面的研究有着悠久的历史，但其真正的系统化和普及主要发生在过去十年，在理论、先进材料和现代微纳加工技术取得突破之后。因此，本文将主要讨论自 2011 年以来的进展。作者首先概述了这一时期一些令人印象深刻的里程碑，2011 年发表了一项开创性的工作，其中建立了广义的反射和折射定律，使光在相位不连续性的情况下传播成为可能，除了依赖于光传播过程中积累的渐进相移的传统对应物之外，相位不连续性为设计光束在波长范围内的弯曲提供了额外的自由度和极大的灵活性。随后，在2012年，研究人员扩展了这种等离子体纳米天线接口（∼30 nm），并在1.0至1.9μm的宽带波长范围内提出了波前控制，此后，基本原理的突破，将光学超表面的研究带入了一个新兴时代。已经实现了许多创造性的概念、设计和应用。

图 1.现代光学超表面演变的简要年表

光学超表面基础

光学超表面的潜在机制：光学超表面的不同基本机制如图2所示，使用散射光谱的多极扩展。在等离子体共振中，总辐射方向图由电偶极子主导。然而，在米氏谐振中，总辐射方向图是由电偶极子、磁偶极子、电四极杆和磁四极杆模式产生的。

图2.光学超表面的不同潜在机制

光学超表面的分类：在上述讨论中，根据其机理，光学超表面主要可分为等离子体超表面和介电超表面两大类，然而，他们只解释了π相调制的不同成核机制。实际上，需要 2π 相位调制才能实现对波前的完全控制。因此，等离子体和介电超表面可以根据其物理特性进一步分为子类别，以实现完整的 2π 相位调制。多共振超表面采用 V 形纳米天线产生 0–2π 的相位调制，V形纳米天线可以支持两种谐振模式：对称模式和反对称模式。这两种谐振模式的叠加实现了所需的相位覆盖。

图3.等离子体超表面

介电惠更斯超表面是众所周知的介电超表面，它利用表面等效原理来实现 2π 相位调制。在这里，光谱重叠的电偶极子和磁偶极子共振是正交的和可比的。这种类型的光学超表面在微波和近红外范围内具有很高的传输效率，但在可见光频率下会迅速恶化。

图4.介电超表面

光学超表面的高级应用

成像：光学超表面在成像领域得到了广泛的应用（图5），如手性成像、超分辨成像和计算智能成像。研究人员在紧凑和多光谱手性成像方面的工作，它可以在同一视场内同时形成两个具有相反螺旋度的物体的图像。还有研究人员利用超表面几乎无色散的相位调制特性来实现宽带超分辨率成像。生物成像是一个突出的领域，光学超表面作为荧光成像或用于诊断和观察的无创生物成像工具得到了广泛的应用和商业化，如超表面增强磁共振成像。

图5.基于超表面的生物成像

生物传感：近年来，基于光学超表面的医疗保健因其独特的控制人体附近电磁场的能力而引起了广泛关注。与传统的生物电子接口相比，这种创新方法为医疗保健监测提供了令人信服的潜力。图6给出了基于光的生物传感的基本机制的示意图，这涉及在光物理相互作用后检测修饰（吸收和散射）光子，以从生物组织中获取生物特征信息。所有这些显著特征使基于超表面的生物传感成为一种发人深省的突破性方法，可以克服当前生物电子界面的局限性。

图6.基于超表面的生物传感

基于超表面的无线人体传感器网络可以集成到服装中是另一项重大成就。其优势主要体现在以下几个方面。首先，基于超表面的纺织品与身体是非接触的，可以规避透气性、贴合性、舒适性、替换性等挑战。其次，目前的无线通信通常依赖于射频技术，这会导致系统体积庞大且耗能，但亚波长超表面可以克服这些限制。第三，人体是一种有损的、异质的、分散的介质，超表面可以增强光与物质的相互作用。第四，人体是动态的，其需求因人而异，因此超表面可以定制。第五，与传统的辐射方法相比，基于超表面的局部表面传输可以大大提高效率、安全性和抗干扰性（图7）。

图7.基于超表面纺织品的无线人体传感器网络

伪装：可以说，隐身代表了光学超表面最迷人和最有前途的应用之一。几千年来，隐形斗篷的概念一直让人类着迷，但在可以重建目标物体散射场的超材料出现之前，它仍然是一个梦想。2006 年，两位研究人员分别独立提出了变换光学和光学共形映射的基本理论。变换光学通过坐标变换在空间几何和非均匀介质之间建立关系，创建随意控制电磁波的数学或几何框架。从事得以实现隐身。

图8.基于超表面的电磁隐身

多功能：随着光学超表面研究的不断发展，多功能性已成为另一个重要趋势。多种功能的集成可以显著增强对复杂环境的适应性，拓宽应用范围。图 9 展示了下一代飞机的多功能智能皮肤，包括光学传感和定位、电磁隐身和空气动力学传感。电磁隐身和空气动力学传感相辅相成，相互促进，可以共同推动下一代飞机的发展。

图 9.多功能智能皮肤

光学超表面的重要趋势

机械可重构超表面：可重构超表面提供对光学特性的动态控制，已成为重要的研究重点。这些超表面支持在配置之间切换并引起功能的变化。应该明确的是，术语“可重构”、“可编程”、“编码”、“数字”和其他类似词在关于超表面的文献中经常互换使用，但实际上它们具有不同的含义。在本文中，作者将它们区分如下：（i）涉及机械变形的可重构超表面和（ii）由外部刺激（即电路和光）专门调制的可编程/编码/数字超表面。一般来说，实现可重构超表面的策略可分为三种方法：（a）可拉伸材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和Ecoflex，（b） 液态金属（c）基于折纸，以及基于剪纸的柔性机械超材料。

图 10.机械可重构的超表面

对超表面进行数字编码：编码超表面的概念是在 Cui 等人于 2014 年的工作中出现的（图 11a）。这些超表面仅由两种类型的晶胞组成，即“0”和“1”晶胞，具有0和π相响应。“0”和“1”之间的切换通过偏置二极管控制。此外，1 位编码可以扩展到 2 位编码或更高。这包括“00”、“01”、“10”和“11”单元，分别对应于 0、π/2、π 和 3π/2 的相位响应。通过使用FPGA对二进制系统进行编码，可以实现对不同功能的数字控制，使单个编码超表面具有多种功能。

图 11.对超表面进行数字编码

共形超表面: 为了超越平面和刚性结构的局限性，对能够处理任意弯曲形状的保形超表面有强烈的需求。目前，这个具有挑战性的问题的解决方案可以分为四类：（i）柔性基板，（ii）多平面近似，（iii）剪纸和折纸设计，以及（iv）非平面3D制造。

图 12.基于柔性基板和多平面近似的共形超表面

基于剪纸和折纸的保形设计是最近新兴的研究方向，尤其是在柔性电子学领域。剪纸和折纸用于形成机械可重构的超表面。此外，它们也可以是共形超表面的潜在机制。它们的显著特征，如负泊松比和 2D 到 3D 的可变性，为共形挑战提供了有趣的想法

图 13.基于剪纸上和折纸的保形超表面

非平面 3D 制造是促进保形超表面或电子学的第四种方法，利用 2D 到 3D 转移打印和保形 3D 打印等方法。2D到3D转印将基于平面技术的设备从临时平面基材转移到目标曲面，包括弹性转印，水转印，多尺度转印，和保形增材印章印刷。然而，这些方法仍处于早期阶段，面临脆弱性、复杂性和低精度等问题。图 14 显示了两个具有代表性的保形超表面.

图 14.共形超表面的非平面 3D 制造

小结与展望

就像他们的电子元件的成功一样，柔性和共形光学超表面的研究似乎非常有前途。在理论突破、计算方法和微纳加工技术快速发展的推动下，它有可能成为改变人类生活方式的革命性技术。如本文所述，柔性超表面的实现需要跨学科研究，而不仅仅是光学。与之前许多专注于光学机制、应用或两者兼而有之的超表面综述不同，本综述的目的是引起其他学科研究人员的注意并激发他们的兴趣。为此，本文试图回答以下问题：什么是超表面？为什么超表面很重要？为什么我们需要超表面具有柔韧性和保形性？我们怎样才能获得柔性和共形的超表面？这篇综述既是柔性超表面的外行指南，也是专业人士对超表面更广泛可能性的见解。另一方面，这篇综述向专业人士们展示了超表面的更多可能性。最后，作者通过确定未来工作的几个重要分支来结束讨论（图15），主要涉及共形结构，即仿生学、共形几何，和力学，功能材料、多功能、曲面制造、和应用。

图 15.柔性超表面的未来趋势

来源：高分子科学前沿

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