◎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。

在zai製zhi備bei技ji術shu層ceng麵mian，則ze可ke以yi根gen據ju維wei度du的de不bu同tong將jiang光guang學xue超chao材cai料liao分fen為wei二er維wei超chao材cai料liao和he三san維wei超chao材cai料liao。二er維wei超chao材cai料liao以yi光guang學xue超chao表biao麵mian為wei代dai表biao，可ke以yi在zai很hen薄bo的de一yi層ceng亞ya波bo長chang結jie構gou上shang實shi現xian對dui入ru射she光guang的de調tiao控kong。相xiang比bi三san維wei的de體ti超chao材cai料liao，光guang學xue超chao表biao麵mian具ju有you一yi定ding的de加jia工gong優you勢shi，可ke以yi完wan全quan兼jian容rong平ping麵mian化hua的de傳chuan統tong半ban導dao體ti微wei加jia工gong方fang式shi，因yin此ci成cheng為wei主zhu流liu的de研yan究jiu方fang向xiang。而er三san維wei的de光guang學xue超chao材cai料liao則ze主zhu要yao利li用yong自zi組zu裝zhuang、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

guangxuechaocailiaokeyongyuguangxueqijianjiguangxuechuanganqizhizao，liruguangxuechaotoujingjiushiliyongguangxuechaobiaomianshejijiagongchulaideyizhongjuyoutoujinggongnengdeqijian

，keyongqilaigoujianxiaoqiao
、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。

zainengyuanhehuanjinglingyu
，yuelaiyueduodekeyantuanduizhengxiangfangshefadizaitaiyangnengdianchibandebiaomianshenzhishineibujiegouzhong，liyongguangxuechaocailiaolaitishengtaiyangnengdianchibandeguangdianzhuanhuanxiaolv。

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。

zaitongxinlingyu，guangxuechaocailiaoyiyoufeichangchengshudeyingyong。guangzijingtiguangxiancongbenzhishangjiangyeshiyizhongguangxuechaocailiao，yaotongguorenweidezhibeihejiagongcainenggouxingchengzheyangdeweijiegouguangxian。yangzhenyubiaoshi，xueshujieduiguangzijingtiguangxiandeyanjiuyijingyoushijiniandelishi，zhezhongguangxianzaihenduoguangxueyingyongchanghedouzhanjuyixizhidi。

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duan92.4%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)。”yangzhenyubiaoshi，guangxuechaobiaomiandeweijiegoutezhengchidudadouzaijishinamidaobainamideyaguangxuebochangliangji，yaoxiangshixiandamianzhendeweijiegoujiagong，jiuxuyaokefugaochengben、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。