可调太赫兹与光学超材料

张检发，袁晓东，秦石乔

(国防科学技术大学光电科学与工程学院，湖南长沙410073)

1 引言

在过去的十多年中，电磁超材料(metamaterials)吸引了人们广泛的研究兴趣。电磁超材料是由亚波长结构单元组成，具有自然界材料所没有的新颖电磁特性的人工结构材料［1］。根据电磁超材料工作的频谱范围，可以将它简单地划分为微波超材料、太赫兹超材料及光学超材料。电磁超材料最早是在微波频率段实现的，随后很快发展到从太赫兹到红外及可见光的几乎整个电磁频谱范围［2-8］。超材料的研究已经远远超出了最初的“负折射材料”或者“左手材料”［9-10］的范畴。在超材料的基础上，人们又提出了超表面(metasurface)［11-13］，超器件 (metadevice)［14］等新的概念。如今，一方面人们依然在探索超材料的新颖特性和物理现象，另一方面则将注意力转向超材料的实际应用。

超材料在光的偏振、相位和振幅控制方面具有许多传统光学材料和器件无法比拟的独特优势，在新型光学元件的开发方面具有巨大潜力。利用超材料对光的超常控制能力可以实现一些新的元件，如宽带圆偏振器［15-16］、新型完美吸收器［17-20］、具有无相差成像能力的平面透镜［21-22］等。基于超材料，特别是平面超材料的光学元件，可以极大地减小传统光学元件的体积和重量，从而更加有利于小型化和集成化。同时，通过改变超材料结构单元的尺寸，可以使其工作在不同的波段。这在一些传统光学元件比较缺乏的光学频段(如中远红外或者太赫兹波段)具有尤为重要的价值。

可调超材料的发展对于超材料的应用有着重要的意义［1，14］。可调超材料可以通过施加外部信号(如电场、磁场、激光辐射等)改变超材料的电磁学性质。这一方面可以改变和扩展超材料的工作频段;另一方面，则为调制器等各种主动光子器件的开发提供了可能。因此，人们在可调超材料的研究方面付出了很多努力，并且取得了很大的进展。在可调超材料的类型方面，人们设计了基于可变电容的微波段可调超材料［23-24］、基于MEMS工艺的机械可重构超材料［25-29］和基于活性媒质的混合结构超材料［30-33］等。从调制方式来说，有热调制、电调制、磁场调制和光调制等。从被调制的电磁波特性来说，有振幅调制、共振频率调制、相位调制等。

可调超材料在各个波段都有重要的研究价值。本文主要论述太赫兹和光学波段可调超材料的发展情况。本文在介绍不同类型可调太赫兹和光学超材料的工作原理的同时，着重从应用的角度进行一些讨论，并对其未来的发展趋势进行分析。关于可调超材料，已经有一些综述性的文献，如N.Zheludev等人的“From metamaterials to metadevices”［14］，A.Liu 等人 的“Micromachined tunable metamaterials:a review”［25］，A.Boardman等人的“Active and tunable metamaterials”［34］等。这些文献论述的角度和范围各有侧重，本文与这些文献相互补充，为读者了解可调光学与太赫兹超材料提供了一个更全面的视野。

2 可调超材料的基本工作原理

超材料通常由亚波长的共振结构单元组成。尽管包括陶瓷［35-36］、高折射率半导体［37-38］在内的介质材料等都被用做制作超材料的基质，但大多数超材料的结构单元都是由金、银等贵金属构成。为了实现特定的电磁学性能，人们提出了多种超材料结构单元的设计方案，如金属开裂环［39］、不对称开裂环［40］、渔网结构［41］以及它们的互补结构等。超材料共振单元的电磁特性可以用多种模型来描述，其中LC等效电路模型可以较好地描述超材料的共振特性，尤其是微波金属开裂环结构［42-43］。在该模型中，每个超材料结构单元都有一个分布电感L和一个分布电容C，超材料结构单元的共振频率f∝(LC)-1/2。因此，如果能够通过一个外部信号改变超材料结构单元的电容或者电感，就可以改变其共振特性［44-45］。一种典型的可调微波超材料设计方法是在每个构成超材料结构单元的开裂环上加上一个具有可变电容的二极管(图 1(a))［24，46］。通过改变二极管的电容，结构单元和超材料的共振频率也会随之改变。这种类型的可调超材料，主要适用于微波波段。

图1 可调超材料Fig.1 Tunable metamaterials

通过改变超材料的几何结构，即构成超材料的共振单元的形状、大小等，或者结构单元之间的空间相对位置，同样可以对超材料的性质进行调控。前者主要使得每个结构单元的共振波长发生改变，后者则改变了结构单元之间的近场相互作用。如图1(b)所示，当不同层的结构单元位置发生水平方向相对运动时，超材料的共振频率会发生改变［47］。基于这种原理的可调超材料被称为可重构超材料。

当超材料的结构不发生变化时，通过改变制作超材料的基质的电磁性质，也会使得超材料的电磁特性发生改变。但通常很难有效地对金、银等金属材料的电磁或者光学性质进行调控。幸运的是，超材料的电磁特性同样依赖于周围媒质的性质。通过将超材料与液晶、半导体、相变化材料等具有可调光学性质的活性媒质结合在一起，就可以极为有效地实现对超材料光学特性的控制(图1(c))。如图2所示，当基底的折射率发生改变时，光学超材料的光谱会发生改变。进一步的分析表明，共振波长与周围媒质的有效折射率，其中ns为基底折射率，1为空气的折射率)存在近似的线性关系。这是因为，超材料的共振波长主要是由光在周围媒质中的波长决定的。周围媒质的折射率增加时，光在媒质中的波长会变短。若要保持媒质中的波长不变，自由空间光波长会随着折射率的增加而线性增加。混合结构超材料将超材料的共振特性和独特光学性质与活性媒质的可调光学性质结合在一起，因而只需要亚波长甚至深亚波长的结构尺度，就可以实现对光场的有效调控。

图2 超材料电磁特性对周围媒质的依赖性Fig.2 Dependence of metamaterials'optical properties on the refractive index of surrounding media

3 可调太赫兹与光学超材料研究进展

3.1 机械可重构超材料

机械可重构超材料需要将可形变或者可重构的机械结构与超材料融合起来。如图3(a)所示，H.Tao等人利用表面微机械工艺设计制作了一种热控的可重构太赫兹超材料［48］。它由自由悬空的平面开裂环共振器阵列构成，这些开裂环结构的支撑基底与由两种不同材料构成的悬梁臂相连接。由于两种材料具有不同的热膨胀系数，通过施加一个热信号(升温或者制冷)，可以使得开裂环阵列随同悬梁臂一起朝平面外弯曲，从而改变超材料的电磁场共振特性及透反谱，实现对超材料的调控。但温度控制的动态响应速度比较慢，工作环境也受到很大限制(易受外界温度影响)，因而人们开始转向对电机械可重构超材料的研究。

图3 机械可重构太赫兹与光学超材料Fig.3 Reconfigurable THz and optical metamaterials

微机电系统(MEMS)技术为机械可重构超材料提供了一个理想的平台。MEMS技术在制作和驱动微机械系统方面已经成为一门非常成熟的技术。图3(b)是Y.H.Fu等人制作的基于MEMS工艺的可重构太赫兹超材料［49］。通过微机械驱动装置连续控制超材料结构单元中两个非对称开裂环之间的距离，实现了共振频率高达31%的连续调制。基于MEMS技术的机械可调太赫兹超材料具有良好的工作性能。然而，在红外和可见光波段，实现更高速度的调制，则需要对传统的MEMS技术进行改进。为此，J-Y Ou等人提出了一种基于纳米机电(NEMS)技术的可重构光子超材料［28］。这种超材料是在厚度只有几十纳米的悬空氮化硅薄膜窗口上制作的(见图3(c))。超材料的金属共振单元由悬空的氮化硅悬梁臂支撑，每两个相邻悬梁臂之间是电绝缘的。当相邻悬梁臂上被施加不同电压之后，相互之间就会产生静电力，悬梁臂连同上面的金属纳米结构在静电力和机械弹性恢复力的相互作用下运动。通过控制电压大小，可以对相邻悬梁臂的间距进行控制，从而改变悬梁臂上金属结构之间的近场耦合及超材料的光学性质。实验表明，这种结构可以实现兆赫兹以上的调制带宽。其估计的功耗仅为微瓦量级。理论分析表明，减小重构单元的尺寸或者使用更加坚固的材料能够进一步提高调制频率。如果能够使单个结构单元独立运动，这种类型的可重构超材料连续调制带宽有可能达到GHz以上。目前，这种类型的超材料的动态调制信号对比度以及结构的稳定性还有待进一步提高。这一方面需要改进超材料的结构设计，另一方面需要提高加工工艺的水平。

与以上微机械工艺相比，基于可伸展柔性基底的可重构超材料则提供了一种十分简单有效的调制手段［50］。图3(d)就是基于这一方法设计的一种可调太赫兹超材料［51］。当基底被拉伸或者收缩时，依附在基底上面的超材料共振单元也一同被拉伸或者收缩。此时，结构单元内部结构以及结构单元之间的间隙会发生变化，由此引发近场耦合特性的变化及其光学性质的改变。利用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)等柔性聚合物薄膜作为基底，人们设计制作了具有较好调制特性的太赫兹及光波段可重构超材料［52-54］。这种超材料的一个不足之处是多次调制之后柔性基底容易疲劳和老化，使得弹性恢复性能变差。

3.2 基于电光媒质的混合结构可调超材料

利用电信号实现对光的动态调制具有重要的应用价值。在光学领域，电光材料得到了广泛的应用。将电光材料与超材料结合，为电可调超材料的实现提供了一个很好的途径。半导体材料是最早用于实现电控可调超材料的活性媒质。在半导体技术中，通过控制半导体的载流子浓度，可以控制半导体的电子学性能。同样的方式也可以用来改变其电磁波和光学特性。2005年，W.J.Padilla等人在本征砷化镓(GaAs)基底上制作平面开裂环阵列，通过实验首次证明利用砷化镓基底中的光激发自由载流子，可以在太赫兹波段实现对平面超材料光学特性的动态调制［55］。随后，H.T.Chen等人以掺杂的砷化镓为基底，在金属平面超材料与基底之间形成了一个有效的肖特基二极管，通过控制栅电压来控制金属开裂环共振单元底部载流子的注入与耗尽，首次实现了对太赫兹平面超材料透射率的实时动态电调制(见图4(a))［30］。在室温下，当栅压为 16 V 时，在0.72 THz透射率的相对强度改变达到50%。该器件的最大调制频率约为几千赫兹，其带宽主要受到器件较大寄生电容的限制。通过适当的超材料结构设计，类似的器件还可以实现对超材料共振频率［56］和透射相位的动态调控［57］。同时，基于半导体材料的电可调超材料也可以用于红外波段［58-59］。最近，Y.C.Jun等人证明，可以利用电调控的方法，在中红外波段实现对平面超材料共振与半导体纳米层的介电常数接近零(epsilon-nearzero)模式之间耦合的动态调制(如图4(b))［60］。这种新型的主动可调混合超材料器件很可能在新物理现象的探索和中红外器件开发方面有很好的研究意义。

另外一种常见的电光材料是液晶。液晶的光学性质与其分子排列方式有关。通过外部电压、磁场或者温度控制可以改变液晶分子的取向，可以使其特定方向的折射率发生超过10%的显著变化。液晶适应的电磁波频谱范围极广，几乎可以用于从微波、太赫兹到红外和可见光的所有波段，因此液晶是实现混合结构电光可调超材料的一种非常理想的材料。Q.Zhao等人设计了一种工作在微波段的可调超材料，是最早实现的液晶超材料之一。实验证明，通过施加直流电场，可以使这种超材料在11 GHz附近的共振频率发生约210 MHz的移动［33］。类似的，利用磁场也可以实现对微波段液晶超材料的调控［61］。液晶超材料在太赫兹和光学波段有着更为重要的应用价值。最近，人们利用液晶材料设计和制作了太赫兹强度与相位可调超材料［62］、太赫兹可调超材料完美吸收器(见图 4c)［63］及近红外可调超材料［64］等可调超材料。值得一提的是，尽管关于液晶可调超材料的绝大多数研究都关注于液晶的电光调制特性，液晶巨大的非线性光学响应最近也被用于非线性光学超材料［65］。当然，液晶材料也存在自身的一些缺点和不足，如对温度较为敏感，工作环境受到一定限制。同时液晶调制器的电光响应时间通常只有毫秒量级，相比于半导体材料而言要慢得多。这也使得基于液晶的可调超材料更可能在工作环境不是特别苛刻以及调制速率在KHz以下的场合得到应用。

图4 电可调超材料Fig.4 Electrically tunable metamaterials

3.3 相变化超材料

用半导体和液晶作为活性媒质实现的可调超材料，只有当外加调制信号存在时，超材料的光学特性才会发生改变。一旦调制信号消除，超材料就会恢复到原来的状态。在很多应用场合，人们希望超材料能够在外在信号解除之后，依然能够将其激发的改变保留下来，这就需要一种具有记忆功能的活性材料，或者说非易失性可调材料。相变化材料正好能够满足这一要求。

相变化材料通常具有两种或者多种稳定存在的状态或者亚稳态，并且可以在一定条件下在不同状态间转化。这几种状态的化学组成相同，但其原子或者分子排列却不一样，因而其物理性质(如光学特性)会有很大的不同。在表面等离子体和光学超材料中，常用的相变化材料有金属镓(Gallium)、二氧化钒(VO2)、硫系玻璃(chalcogenide glass)等。图5(a)是以VO2作为基底的一种太赫兹相变化超材料［66］。VO2加热时可以发生绝缘体-金属相变，其相变过程存在滞后现象和记忆效果，也就是说从绝缘体到金属的相变所需要的温度Tm和从金属到绝缘体的相变温度Ti是不一样的。在适当的温度，电流脉冲产生的热效应使VO2基底发生相变后，会使超材料的共振频率发生改变，最高可达20%以上。即便脉冲消失，这种改变也会继续维持，除非对温度进行复位操作。

图5 相变化超材料Fig.5 Phase change metamaterials

以VO2作为活性媒质的相变化超材料也可以工作在红外波段［67-68］。然而，VO2在光学波段的吸收损耗较大，以VO2作为活性媒质的光学超材料透射率较低。另外，VO2的相变温度不够高，需要对周围环境进行温度控制，且两个相变点的温度Tm和Ti差别很小。从应用的角度来说，需要寻找一种易于生产和加工，且具有良好的稳定性和优越的可调光学性质的相变化材料。2010年，Z.L.Sámson 等人将一层无定形态的镓-镧-硫(GLS)玻璃溅射到平面超材料上，通过电流脉冲使GLS从无定形态相变到结晶态，使超材料的共振波长在近红外波段实现了150 nm的移动。整个结构厚度只有370 nm，而透射率的最大调制对比度可以到达 4∶1［69］。最近，B.Gholipour等人以另一种代表性的硫系玻璃Ge2Sb2Te5(即GST)为活性材料，成功在通信波长和中红外波段证明了一种可实现全光、双向、非易失性调制的相变化光学超材料［31］。这种超材料的结构如图5(b)所示，其中 GST为相变化层，ZnS/SiO2和 SiO2分别作为缓冲层和覆盖层对结构进行保护并使其能够更好的在光照下发生相变。如图5(c)，当一个峰值功率较低的宽光脉冲照射在GST超材料上时，可以使GST从低折射率的无定形态变化到高折射率的结晶态，超材料的光谱也随之发生红移。而一个峰值功率高的窄脉冲则可以使其从结晶态变化到非定形态。硫系玻璃的物理特性可以通过控制组成元素的相对成分及制作工艺进行设计，稳定性极好，且具有优越的电子学和光学特性，无论在信息存储还是光子学领域都具有很大的应用潜力［70］。基于硫系玻璃的相变化光学超材料的研究对于超材料从实验室走向应用具有重要的意义。然而，由于硫系玻璃的相变化温度较高，局部温度甚至可能超过金的熔点，使得相变化过程中超材料结构容易被破坏。目前基于GST等硫系玻璃的相变化光学超材料可承受的相变化次数还难以到达实用的要求。要在保持其信号对比度的情况下提高其稳定性和耐高温性，需要进一步优化超材料结构设计并根据需要选择合适的相变化材料及相变温度。同时，在中远红外波段，可以探索用钼、钛等耐高温的金属材料来替代金、银等贵金属，用于制作超材料。

3.4 非线性及超快全光可调光学超材料

在光学通信和全光信号处理中，超快全关调制具有重要的地位。超快全光调制通常利用材料的光学非线性。然而，传统光学材料的非线性效应往往较低，因此要求的泵浦光强度很高，并且需要较厚的非线性材料来增强作用距离。光学超材料可以有效地增强光与物质的相互作用，实现在较低光学强度下的非线性光学调制［32，71-73］。

非线性光学超材料主要分为两种类型。一种是利用制作超材料的物质，通常为金、银、铝等金属本身的光学非线性。这些金属材料可以支持表面等离子激元，被加工成纳米结构光学超材料后，在外在光场作用下，会激发表面等离子体激元共振，使得局部光场强度得到大幅增强［74］。由此可以在相对较弱的光强下产生显著的非线性效应。图6(a)是利用金纳米柱形成的非线性光学超材料［71］。这种亚波长厚度的超材料在10 GW/cm2的泵浦光强下，就可以实现80%的透射率变化。图6(b)则是在一个纳米厚度金膜上加工非对称开裂环结构形成的一种平面光学超材料［75］。这种结构可以支持所谓的Fano共振，将光场能量局域在纳米尺度的范围内，有效地增强光学非线性［76］。实验研究表明，在约890 nm的共振波长附近，与没有做纳米结构的金相比，这种光学超材料的非线性被增强了约300倍。由于金属材料具有很快的非线性响应，利用金属本身非线性的可调光学超材料可以实现THz的开关频率。

图6 非线性及全光可调光学超材料Fig.6 Nonlinear and ultrafast all-optically tunable photonic metamaterials

第二种是混合结构全光可调光学超材料。如果将具有超快光学可调特性的材料与光学超材料相结合，形成的混合结构则可以实现更强的超快光学反应。2009年，K.M.Dani等人报导了一种具有亚皮秒光学调制速度的渔网结构光学超材料［77］。在两层金属中间有一层纳米厚度的非定形硅。利用硅的光激发载流子效应，可以改变硅的光学折射率。这里，光学超材料一方面可以提高硅对于泵浦光的吸收，使光生载流子效应增强。另一方面将硅折射率的变化转变成超材料共振光谱的改变，使共振波长附近透射率发生显著变化。类似的，图6(c)则是将氧化铟锡(Indium tin oxide，ITO)与能够支持等离子体激元诱导透明(plasmon induced transparency)的光学超材料结合。Y.Zhu等人的实验表明，这种非线性混合结构超材料的阈值泵浦强度仅为0.1 MW/cm2，反应时间为51 ps。泵浦光作用下，在通信波长附近，透明窗口的中心波长平移达到86 nm［73］。通过混合结构的方法，碳纳米管(如图6(d))［32］以及下面将要提到的石墨烯［78］等材料也都可以被用于超快全光可调光学超材料。

3.5 光机械超材料

与传统非线性光学现象需要依赖非线性光学材料不同，基于光机械诱导的非线性现象不仅不需要依靠材料的非线性，而且为弱光非线性现象的实现提供了一条途径。光机械诱导非线性现象是通过光学力(包括光学梯度力和散射光学力)引起光机械系统发生几何形变，从而改变光学性质。在微纳光机械系统中，通过光学微腔、谐振子、亚波长波导等可以有效地增强光学力，产生光机械诱导非线性现象［79-81］。

光学超材料为光机械学的研究提供了一个新的舞台。研究表明，光学超材料可以有效增强近场光学力［82-85］。如果能够将光学超材料与弹性材料或者可形变的机械结构结合在一起，就有可能利用光学力作为驱动力，实现超材料中的光机械诱导非线现象［86］。2011年，M.Lapine等人通过将磁性超材料与弹性介质结合，设计了一种可形变的微波超材料［87-88］。如图7(a)所示，这种超材料在外部电磁波作用下，会激励磁共振模式，同时在两层平行开裂环之间产生近场共振电磁力，使其相互吸引或者排斥，进而使弹性材料被压缩或者拉伸。由于电磁力诱导的弹性-电磁相互作用可以引发显著的非线性效应并产生电磁双稳态等非线性现象。这种超材料被称之为磁弹性超材料(Magnetoelastic Metamaterials)。最近，A.Slobozhanyuk等人利用柔性的螺旋结构，通过实验实现了这样一种非线性超材料［89］。

图7 光机械超材料Fig.7 Optomechanical metamaterials

在光学波段，超材料的结构尺度要比微波波段小得多，共振单元间的光学力通常只有nN甚至pN量级。为了将这种近场光学力有效的转化为超材料重构的驱动力，需要将微纳机械结构与光学超材料有机融合在一起。机械可重构光学超材料的发展［26，28］为这种融合提供了可能。最近，J.Zhang等人提出了光机械超材料(“Optomechanical metamaterials”)的概念［90］。如图 7(b)所示，这种超材料采用非对称的高折射率介质纳米粒子对作为共振结构单元。光学共振结构与可形变的纳米氮化硅悬梁臂结合在一起。在入射光场作用下，介质超材料可以激发高Q值的Fano共振，产生强的近场共振光学力并使纳米机械臂发生形变，进而引起光学性质的改变。数值计算表明，这种超材料在小于0.2 mW/μm2的光强下，就可以产生光学双稳态现象。不仅如此，由于这种超材料在垂直其平面的方向具有非对称性，因而对于沿前向和后向入射的光，其透射消光比可以到达30 dB以上。这种巨大的非线性非对称传输现象有可能为光隔离器的设计提供一种新的方案［91-93］。当然，相比于非线性材料的非线性，光机械诱导非线性的响应速度要慢一些。提高材料的劲度可以使工作频率有所提高，但这却会使非线性系数降低。光机械诱导非线性在全光逻辑器件等高速应用的方面没有优势。但是其高的非线性系数，以及可以使用不具有非线性的光学材料，使得其在自适应光学元件等新型光学功能器件的开发方面具有一定的潜力。

3.6 石墨烯可调超材料

近年来，石墨烯作为一种“神奇材料”吸引了物理、化学、材料等众多领域学者的研究兴趣［94］。石墨烯最重要的性质之一，就是具有可调的电子学和光学性质。它可以被视为一种无禁带半导体，通过化学或者静电掺杂等方式，可以有效地改变石墨烯的载流子浓度和费米能级［95］。人们很快就意识到，石墨烯的电光可调光学特性可以被用于高速可调光学器件［96］。

石墨烯在可调太赫兹与光学超材料研究中同样有重要应用。图8(a)是单层石墨烯铺在一个金属平面超材料上的扫描电子显微镜图［97］。N.Papasimakis等人研究表明，尽管石墨烯厚度不到1 nm，但却可以使超材料光学性质发生明显的变化。其中在共振波长附近，有石墨烯和没有石墨烯时透射率的相对改变超过250%。如果能够通过静电掺杂控制石墨烯的费米能级，就可以实现对超材料光学特性的电光调制。图8(b)是一个集成在印刷电路板上的可调石墨烯太赫兹平面超材料［98］。在这一混合结构中，通过栅压可以控制与超材料相邻的石墨烯的费米能级。超材料的共振特性使得石墨烯的光学性质改变被极大的放大。尽管单层石墨烯的厚度不到波长的百万分之一，通过与超材料结合，实验得到的透射振幅调制却可以达到47%，而相位的最大调制可以达到32.2°。基于同样的原理，石墨烯混合结构可调光学超材料也可以被用于红外乃至可见光波段。图8(c)是一个加载有一层石墨烯的金属表面等离子体激元天线阵列［99］。通过栅压控制石墨烯的费米能级，可以调控整个结构的光学损耗和共振特性。Y.Yao等人利用类似的结构，通过施加电压在中红外波段实现了对等离子激元天线阵列共振波长和振幅的调制。其中共振波长的调制幅度达到 650 nm(约 10%)［100］。

图8 基于石墨烯的可调太赫兹及光学超材料Fig.8 Tunable THz and optical metamaterials based on graphene

石墨烯另外一个引入注目的光学特性，就是可以支持中远红外和太赫兹波段的表面等离子体激元［101-104］。石墨烯表面等离子体激元可以极大地增强光与石墨烯之间的相互作用，并且其波长远远小于相同频率电磁波在自由空间的波长［105-106］。因此，与金银等金属一样，通过制作一些亚波长结构，石墨烯本身便可以被加工成红外和太赫兹波段超材料［107-108］。通过静电掺杂等方式，可以控制石墨烯表面等离子体激元特性。如图8(d)所示，L.Ju等人将石墨烯加工成光栅形结构之后，证明其在室温下可以产生太赫兹等离子激元共振［109］。改变微条带的宽度或者利用静电掺杂都可以在很宽的太赫兹频率范围内改变共振峰的位置。石墨烯超材料可以用于实现中红外到太赫兹频率范围内的可调完美吸收器、偏振器、滤波器等光学元器件［107，110-111］。

4 发展趋势与应用前景

4.1 可调超材料发展趋势

尽管可调太赫兹与光学超材料研究取得了很多成果，但其在光学性能和调制性能的诸多方面仍然有待进一步的提高，如调制幅度和调制速率、调制的可重复性、调制所需的功率消耗、超材料结构的稳定性和持久性等。接下来的研究中，人们一方面将对现有结构设计和工艺进行进一步的改进和优化，另一方面将继续探索实现可调超材料的新机理、新方法和新材料等。在未来的发展中，以下几个方面将值得关注:

首先，可调超材料的功能将得到进一步的拓展，调制自由度和灵活性将得到进一步的提高。例如，在雷达和通信技术中，相控阵天线是一种极为重要的器件。如果能够像相控阵天线一样，对超材料的单个单元进行控制，无疑会使超材料器件的功能得到很大的提高。在微波和太赫兹波段，具有单元独立调控能力的可编程超材料研究取得了一些进展［112-113］。而目前的可调光学超材料，基本上都是对整个结构单元阵列一起进行调制。实现具有单元调控能力的可编程光学超材料将是一个颇具挑战性的目标，而类似的太赫兹和光学器件在光束控制、波前调控等领域具有广阔的应用前景［114-115］。

其次，可调超材料的研究，将从原理验证进一步走向功能器件开发和应用。从应用的角度来说，平面结构超材料相对于三维结构超材料而言易于加工、传输损耗相对较小、易于集成，并且在对光波的振幅、偏振及相位控制方面能够实现很多功能，因而基于平面结构或者多层平面结构的可调光学超材料依然是研究的重点。特别值得指出的是，金属微纳结构超表面的研究最近引起了很大的关注［13］，并且已经发展出了一些基于超表面的功能器件，如无像差平面透镜［21-22］、表面波与自由空间波耦合器［116-118］、偏振转换器［119］等。可调光学超表面将是一个非常有意义的研究方向。混合结构可调光学超材料在可调超材料中具有重要地位，而活性媒质的选择对其发展具有关键作用。理想的活性媒质不但应该具有良好的可调光学特性和稳定性，而且应该适用于较大规模的生产和加工。半导体材料、液晶及硫系玻璃在工业和生活中已经得到了广泛运用，基于这些材料的可调光学超材料将会得到进一步的关注和发展，而且很可能率先走向实际应用。

最后，新现象、新机理的探索以及新材料的应用依然是可调超材料研究中的重要课题。以光机械超材料为例，这种新型可调光学超材料在物理现象、机理和应用研究方面都还有很多值得探索的课题。从实验上对这些超材料概念进行验证将是接下来值得关注的课题。新的活性材料，特别是以石墨烯、拓扑绝缘体为代表的新颖材料，在可调光学与太赫兹超材料中的应用是非常有趣的研究课题。其中石墨烯是目前物理学和材料学研究的热点，具有很多独特的光学和光电子学特性［105，120-123］。基于石墨烯表面等离子体激元及其电光可调特性的可调太赫兹与光学超材料是目前及接下来的研究热点。同时，以石墨烯为活性媒质的石墨烯/金属超材料(或者石墨烯/金属超平面)混合结构也将在可调太赫兹与光学超材料研究中占有重要地位。

4.2 可调太赫兹与光学超材料的应用前景

可调太赫兹与光学超材料研究具有很强的应用背景。从最早的主动太赫兹调制器［30］到最新的可调太赫兹完美吸收器［63］和兆赫兹带宽近红外电光调制器［28］，可调超材料在电光调制器、可调滤波器、多色谱红外焦平面探测器、可调平面透镜及非线性和自适应光学元件等光子功能器件的开发方面展现出很大的潜力。基于可调光学超材料的新型平面光学元件，不仅可以实现一些传统光学元件难以实现的功能，而且具有厚度超薄、质量轻、体积小的优点，有利于实现光子器件的小型化和集成化。

可调光学超材料在太赫兹和红外波段可能率先得到应用。在中远红外波段，传统的光学材料选择范围有限。红外光学元件不仅价格昂贵，而且光学性质、机械性质等还存在诸多不足。太赫兹波段曾经被称为所谓的“太赫兹空白”，虽然近年来太赫兹研究取得了长足的进展，但高性能的太赫兹光学元件还是十分匮乏［124-125］。光学超材料在中远红外和太赫兹波段正好大有可为。目前限制光学超材料应用的两个主要因素是加工和损耗。在中远红外和太赫兹波段，金属材料的损耗相对较小，还可以使用半导体材料或者石墨烯等取代金属材料，而且这一波段的超材料可以使用成熟的光刻技术进行加工，这为超材料器件的应用提供了可能。基于可调光学超材料的中远红外和太赫兹器件在通信、医疗检测、国防、国土安全、航空航天等领域有可能发挥重要作用。当然，随着超材料研究的深入和微纳加工工艺的提高，基于可调光学超材料的近红外和可见光光学元件，如可调的平面光学透镜，也很可能在不久的将来走入我们的生活。

5 结束语

超材料是过去十多年来物理学研究领域最活跃的课题之一。超材料的一系列物理概念和新颖现象极大地拓展了人们的思维并增进了人们对于电磁学的认识。随着研究的深入，超材料也逐渐从理论走向应用。可调太赫兹和光学超材料可以有效地拓展和增强光与物质的相互作用，在新型光学功能器件开发中具有重要价值。人们已经设计了许多基于可调太赫兹和光学超材料的功能器件，其中有的器件已经达到或者接近实用水平。可调超材料在未来依然会是超材料研究中的热点课题，并将引起越来越多的关注。其发展可能引起一些光学元件和光学系统的变革，对光学和太赫兹技术的发展将产生深远的影响。

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