◎實習記者 沈 唯

光學超材料就是利用波長與光的波長相近或更短的人造結構來調控光的行為，包括光的強度、偏振態和相位等。光學超材料依然遵循物理規律，隻是在研究視角和研究尺度上和傳統的光學材料有所不同，需要在微米、納米等亞波長尺度下設計和調控材料的電磁學性質。

guangxuechaocailiaoshiyouyabochangjiegoudanyuanhuojuyouteyidiancitexingdechaoyuanzizuchengderengongweinajiegoucailiao。tongguorengonggaibiangouchengcailiaodejiegoudanyuan，keshiguangxuechaocailiaobiaoxianchuyixiexinqideguangxuexingzhi。liru，teshudeweinajiegourangguangxuechaocailiaonenggouyitedingdefangshiduiguangdechuanshujinxingtiaokong，congerdadaoyinxingxiaoguo。

什麼是光學超材料
？光學超材料未來還有哪些改變人們生活的應用場景？日前
，華中科技大學光學與電子信息學院教授楊振宇、張誠和副教授繆靈接受了科技日報記者專訪，揭開了光學超材料的“神秘麵紗”。

通過改變材料結構來調控光的行為

一(yi)塊(kuai)透(tou)明(ming)的(de)玻(bo)璃(li)，通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)成(cheng)分(fen)可(ke)以(yi)讓(rang)它(ta)的(de)透(tou)光(guang)率(lv)和(he)顏(yan)色(se)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。而(er)除(chu)了(le)調(tiao)節(jie)成(cheng)分(fen)以(yi)外(wai)，還(hai)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)在(zai)這(zhe)塊(kuai)玻(bo)璃(li)表(biao)麵(mian)刻(ke)上(shang)像(xiang)窗(chuang)紗(sha)一(yi)樣(yang)的(de)具(ju)有(you)周(zhou)期(qi)性(xing)的(de)亞(ya)波(bo)長(chang)格(ge)子(zi)圖(tu)案(an)
，來(lai)使(shi)直(zhi)射(she)在(zai)它(ta)表(biao)麵(mian)的(de)光(guang)發(fa)生(sheng)偏(pian)轉(zhuan)或(huo)者(zhe)反(fan)射(she)，甚(shen)至(zhi)讓(rang)它(ta)產(chan)生(sheng)透(tou)鏡(jing)的(de)效(xiao)果(guo)。“通過改變材料結構讓自然材料變成一種人工材料，產生它原本沒有的特性，這就體現了光學超材料中‘超’的特點。”繆靈說。

從專業角度來講，光學超材料就是利用波長與光的波長相近或更短的人造結構來調控光的行為，包括光的強度
、偏振態和相位等。光學超材料依然遵循物理規律
，隻是在研究視角和研究尺度上和傳統的光學材料有所不同
，需要在微米

、納米等亞波長尺度下設計和調控材料的電磁學性質。

“大致上光學超材料的研究主要集中在設計和加工製備這兩個方向。”楊振宇介紹

，在光學超材料的設計上
，現在既有基於麥克斯韋方程組或者聲學、熱學、力學中對應的傳統設計方法
，也有將深度學習

、人工智能引入超材料設計的新方法。

zaizhibeijishucengmian，zekeyigenjuweidudebutongjiangguangxuechaocailiaofenweierweichaocailiaohesanweichaocailiao。erweichaocailiaoyiguangxuechaobiaomianweidaibiao，keyizaihenbodeyicengyabochangjiegoushangshixianduirusheguangdetiaokong。xiangbisanweidetichaocailiao，guangxuechaobiaomianjuyouyidingdejiagongyoushi，keyiwanquanjianrongpingmianhuadechuantongbandaotiweijiagongfangshi，yincichengweizhuliudeyanjiufangxiang。ersanweideguangxuechaocailiaozezhuyaoliyongzizuzhuang、多層納米結構
、激光3D打印等技術來製備。

光學超材料應用領域十分廣闊

光(guang)學(xue)超(chao)材(cai)料(liao)可(ke)用(yong)於(yu)光(guang)學(xue)器(qi)件(jian)及(ji)光(guang)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)製(zhi)造(zao)
，例(li)如(ru)光(guang)學(xue)超(chao)透(tou)鏡(jing)就(jiu)是(shi)利(li)用(yong)光(guang)學(xue)超(chao)表(biao)麵(mian)設(she)計(ji)加(jia)工(gong)出(chu)來(lai)的(de)一(yi)種(zhong)具(ju)有(you)透(tou)鏡(jing)功(gong)能(neng)的(de)器(qi)件(jian)，可(ke)用(yong)其(qi)來(lai)構(gou)建(jian)小(xiao)巧(qiao)、緊湊、高質量的成像係統。此外，利用光學超材料及超表麵技術


，有望研製高性能、多功能和集成化的光學器件，打破傳統光學技術的限製，在紫外、深紫外

，甚至真空紫外波段應用。

在zai能neng源yuan和he環huan境jing領ling域yu

，越yue來lai越yue多duo的de科ke研yan團tuan隊dui正zheng想xiang方fang設she法fa地di在zai太tai陽yang能neng電dian池chi板ban的de表biao麵mian甚shen至zhi是shi內nei部bu結jie構gou中zhong，利li用yong光guang學xue超chao材cai料liao來lai提ti升sheng太tai陽yang能neng電dian池chi板ban的de光guang電dian轉zhuan換huan效xiao率lv。

光(guang)學(xue)超(chao)材(cai)料(liao)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)研(yan)究(jiu)方(fang)向(xiang)是(shi)結(jie)構(gou)色(se)，也(ye)稱(cheng)物(wu)理(li)色(se)。張(zhang)誠(cheng)介(jie)紹(shao)
，像(xiang)大(da)自(zi)然(ran)中(zhong)孔(kong)雀(que)的(de)羽(yu)毛(mao)還(hai)有(you)蝴(hu)蝶(die)的(de)翅(chi)膀(pang)，它(ta)們(men)看(kan)起(qi)來(lai)很(hen)漂(piao)亮(liang)的(de)顏(yan)色(se)並(bing)不(bu)是(shi)因(yin)為(wei)裏(li)麵(mian)含(han)有(you)某(mou)些(xie)化(hua)學(xue)物(wu)質(zhi)或(huo)者(zhe)染(ran)料(liao)，而(er)是(shi)因(yin)為(wei)它(ta)們(men)的(de)微(wei)觀(guan)結(jie)構(gou)導(dao)致(zhi)其(qi)與(yu)入(ru)射(she)的(de)太(tai)陽(yang)光(guang)發(fa)生(sheng)了(le)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)。“基於此，我們可以去設計各種人工微觀結構
，做出我們想要的顏色。”tashuo。jiegouseshiyikaojiegoubenshenchanshengdeyanse
，qibuyilaihuaxuewuzhi，juyoulianghaodechijiuxinghewendingxing
，yingyongzaicaisedayinhezhaopianchongxishang，keyidadaozairizhaoxiabutuisedexiaoguo。“結構色還可以用於製作口紅或者汽車噴漆，不僅無毒無害
，而且合成出來的顏色在視覺效果上往往也更高級。”張誠說。

在zai通tong信xin領ling域yu
，光guang學xue超chao材cai料liao已yi有you非fei常chang成cheng熟shu的de應ying用yong。光guang子zi晶jing體ti光guang纖xian從cong本ben質zhi上shang講jiang也ye是shi一yi種zhong光guang學xue超chao材cai料liao，要yao通tong過guo人ren為wei的de製zhi備bei和he加jia工gong才cai能neng夠gou形xing成cheng這zhe樣yang的de微wei結jie構gou光guang纖xian。楊yang振zhen宇yu表biao示shi

，學xue術shu界jie對dui光guang子zi晶jing體ti光guang纖xian的de研yan究jiu已yi經jing有you十shi幾ji年nian的de曆li史shi，這zhe種zhong光guang纖xian在zai很hen多duo光guang學xue應ying用yong場chang合he都dou占zhan據ju一yi席xi之zhi地di。

智能超表麵則是光學超材料領域的一項新的“黑科技”。作為一種基礎性創新技術
，智能超表麵具有低成本、低能耗、可編程、易部署等突出優點，對6G通信技術發展有重要作用。“當我們通過提高電磁波的載波頻率來提高信息容量的同時，電磁波的定向性也會隨之加強
，就像家裏的Wi-Fi信號從覆蓋整間屋子變成了隻有固定的幾個方向信號強。而智能超表麵可以通過設計信號覆蓋的局域位置，讓每個角落都有信號。”繆靈表示
，除了在家庭環境中

，智能超表麵還可以在樓宇間布置
，減少高樓大廈對信號尤其是高頻段信號的遮擋效應。

2021年，華中科技大學武漢光電國家研究中心陶光明教授團隊與浙江大學馬耀光教授團隊、中(zhong)國(guo)紡(fang)織(zhi)科(ke)學(xue)研(yan)究(jiu)院(yuan)有(you)限(xian)公(gong)司(si)等(deng)多(duo)家(jia)單(dan)位(wei)開(kai)展(zhan)交(jiao)叉(cha)學(xue)科(ke)聯(lian)合(he)創(chuang)新(xin)，基(ji)於(yu)形(xing)態(tai)學(xue)分(fen)級(ji)設(she)計(ji)研(yan)發(fa)出(chu)無(wu)源(yuan)降(jiang)溫(wen)光(guang)學(xue)超(chao)材(cai)料(liao)織(zhi)物(wu)。該(gai)織(zhi)物(wu)實(shi)現(xian)了(le)太(tai)陽(yang)輻(fu)射(she)波(bo)段(duan)92.4%的反射率以及中紅外波段94.5%的發射率。其降溫效果好，可穿戴性能高，應用前景廣闊，入選應用研究類“2021中國光學十大進展”。

走向產業化充滿機遇和挑戰

從實驗室走向產業化、市場化的過程往往充滿困難和挑戰
，光學超材料也不例外。“任ren何he技ji術shu或huo者zhe理li論lun要yao想xiang推tui向xiang市shi場chang並bing獲huo得de廣guang泛fan應ying用yong，都dou建jian立li在zai製zhi備bei工gong藝yi可ke實shi現xian規gui模mo化hua生sheng產chan的de基ji礎chu上shang，但dan目mu前qian僅jin二er維wei的de光guang學xue超chao表biao麵mian的de製zhi備bei難nan度du就jiu已yi經jing非fei常chang高gao了le。”楊(yang)振(zhen)宇(yu)表(biao)示(shi)，光(guang)學(xue)超(chao)表(biao)麵(mian)的(de)微(wei)結(jie)構(gou)特(te)征(zheng)尺(chi)度(du)大(da)都(dou)在(zai)幾(ji)十(shi)納(na)米(mi)到(dao)百(bai)納(na)米(mi)的(de)亞(ya)光(guang)學(xue)波(bo)長(chang)量(liang)級(ji)，要(yao)想(xiang)實(shi)現(xian)大(da)麵(mian)陣(zhen)的(de)微(wei)結(jie)構(gou)加(jia)工(gong)，就(jiu)需(xu)要(yao)克(ke)服(fu)高(gao)成(cheng)本(ben)、長製備周期等問題。

“guangxuechaocailiaodeyingyongbingbushigulide，bujinyaokaolvchaocailiaobenshendeshejizhibei
，haiyaokaolvzaiyuqitayiyouqijianjichengdeguochengzhongruhegenghaodijiehe。ciwaiwomenhaixiwangzuochulaideguangxuechaocailiaojuyoukekongxing
、穩定性，這些都是今後研究的重點和難點。”楊振宇說。

繆靈認為，找到一個好的應用場景，是讓光學超材料從科研走向應用的關鍵所在。盡管距離“隱身衣”的實現還很遙遠，但光學超材料對人們生活方方麵麵的改變，依然值得期待。“比(bi)如(ru)電(dian)磁(ci)超(chao)表(biao)麵(mian)可(ke)以(yi)和(he)智(zhi)慧(hui)道(dao)路(lu)結(jie)合(he)起(qi)來(lai)。現(xian)在(zai)的(de)汽(qi)車(che)越(yue)來(lai)越(yue)智(zhi)能(neng)化(hua)，通(tong)過(guo)毫(hao)米(mi)波(bo)雷(lei)達(da)可(ke)以(yi)和(he)智(zhi)慧(hui)道(dao)路(lu)不(bu)斷(duan)進(jin)行(xing)交(jiao)互(hu)。電(dian)磁(ci)超(chao)表(biao)麵(mian)的(de)應(ying)用(yong)可(ke)以(yi)讓(rang)汽(qi)車(che)的(de)雷(lei)達(da)信(xin)號(hao)源(yuan)與(yu)道(dao)路(lu)交(jiao)互(hu)的(de)時(shi)候(hou)信(xin)號(hao)互(hu)相(xiang)不(bu)幹(gan)擾(rao)

，並(bing)一(yi)直(zhi)保(bao)持(chi)強(qiang)信(xin)息(xi)交(jiao)互(hu)。”他介紹。

光學超表麵的應用還有望替代傳統的光學鏡頭
，實現平麵化
、多模式的成像方式
，在成像效果不變甚至更強大的前提下讓手機、相機的鏡頭變得更輕薄
，提升便攜性。“超材料還可以用於AR
、VR設備
，讓顯示效果更好，設備重量更輕
，增強人們的體驗感和佩戴舒適感。”張誠說。