什么是超表面？

超表面是一种厚度小于波长的人工层状材料，通常由周期性或准周期性的亚波长单元结构组成。这些单元结构能够实现对电磁波的偏振、振幅、相位、极化方式和传播模式等特性的灵活调控。

一、超表面定义与特性

超表面通过精确设计的亚波长单元结构，实现对电磁波的调控。其结构单元通常具有微米或纳米级别的尺寸，能够通过改变结构单元的尺寸、形状和材料属性等几何参数来影响电磁波的传输和反射特性。

超表面示意图

二、超表面分类

根据调控的波种类，超表面可以分为光学超表面、声学超表面和机械超表面等。其中，光学超表面是最常见的类型，通过亚波长的微结构调控电磁波的偏振、相位、振幅和频率等特性。

三、超表面应用领域

1.成像与传感

超表面技术可用于高像素成像和可视化生物传感。通过改变超表面结构单元的尺寸和形状，可以实现对颜色的自由调控，从而实现高像素成像。此外，超表面还可以用于生物传感，通过检测生物分子与超表面之间的相互作用来实现对生物分子的检测。

2.通信

在无线通信系统中，超表面可以替代传统的天线和其他通信组件，实现信号的高效传输和接收。通过编程和动态调控，超表面可以实现对基站发射信号有控制的反射和透射，提高通信系统的性能和可靠性。

3.隐身技术

超表面在隐身技术中也有重要应用。通过调控电磁波的散射特性，超表面可以实现目标的隐身效果，这对于军事装备和设施的隐蔽性至关重要。

4.其他领域

超表面还可应用于光电子器件、能源和生物医疗等领域。例如，超表面可以用于制作高效的太阳能电池和红外检测器；在生物医疗领域，超表面可以实现光学成像和生物传感等功能。

四、超表面研究历史与发展趋势

超表面的概念最早由哈佛大学的Capasso课题组在2011年提出，他们利用不同形状的V型天线的周期性排列得到了可以异常透射的超表面，称为Metasurface。近年来，随着技术突破，部分超表面产品逐渐进入量产阶段，如超表面光操控芯片、超透镜等，市场空间不断扩大。预计到2028年，全球超表面产品市场规模将达到90亿美元。