封面文章?|?Zeng C, Lu H, Mao D, Du YQ, Hua H, Zhao W, Zhao JL. Graphene-empowered dynamic metasurfaces and metadevices.?Opto-Electron Adv?5, 200098 (2022).

第一作者：曾超 副教授?；通信作者：趙建林 教授、趙衛(wèi) 研究員

1 研究背景

眾所周知，電磁波包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、伽瑪射線等，在通信、醫(yī)療健康、食品衛(wèi)生等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，其廣泛應(yīng)用給人類生活帶來極大的便利，可謂“若離開了電磁波，人類將舉步維艱”。事實上，電磁波研究和應(yīng)用領(lǐng)域的任何一項新突破和發(fā)明均是圍繞電磁波的固有屬性開展的，理論上通過操控電磁波的頻率、振幅、偏振、相位等參量可實現(xiàn)對電磁波的任意調(diào)控，從而實現(xiàn)特定的功能和應(yīng)用。過去十年，相關(guān)研究見證了超構(gòu)表面（Metasurfaces）對電磁波的強大操控能力，為電磁波的產(chǎn)生、調(diào)控及應(yīng)用提供了的新平臺和手段。但是，在電磁領(lǐng)域，超構(gòu)表面（人工亞波長微結(jié)構(gòu)界面）一般基于金屬或電介質(zhì)等被動（Passive）材料，一旦設(shè)計加工完成后，這些超構(gòu)表面的功能就不能發(fā)生變化，而只能以靜態(tài)（Static）方式工作。這極大地限制了超構(gòu)表面的應(yīng)用場景，無法滿足如變焦成像、動態(tài)全息、激光/微波雷達等動態(tài)（Dynamic）應(yīng)用需求。如何讓超構(gòu)表面由“死”（靜態(tài)）變“活”（動態(tài)）是科研人員們一直努力的方向。近年來，將主動（Active）材料或器件引入被動超構(gòu)表面已成為解決上述問題的首選策略。截止目前，相變材料、二維材料、彈性材料、變?nèi)荻O管、微機電系統(tǒng)等多種主動材料和器件已被證實可極大地提高超構(gòu)表面和超構(gòu)器件的主動可調(diào)性。相關(guān)研究正在將基于超構(gòu)表面的電磁波調(diào)控推向新的高度：從靜態(tài)走向動態(tài)。作為二維材料的典型代表，石墨烯具有優(yōu)越的光電子特性和外場可調(diào)性，在動態(tài)超構(gòu)表面的發(fā)展之路上扮演了重要角色。

2 研究亮點

西北工業(yè)大學(xué)曾超副教授等研究人員對石墨烯賦能動態(tài)超構(gòu)表面和超構(gòu)器件的研究進行了系統(tǒng)性綜述。該綜述聚焦電控石墨烯超構(gòu)表面對從中紅外、太赫茲至微波波段電磁波的動態(tài)調(diào)控，根據(jù)不同的運轉(zhuǎn)機理、調(diào)控參量、器件功能進行了分類討論，并重點介紹了近年來該領(lǐng)域取得的重要進展。該綜述以“Graphene-empowered dynamic metasurfaces and metadevices”為題作為封面文章發(fā)表在Opto-Electronic Advances?2022年第4期。如圖1所示，文章將石墨烯超構(gòu)表面分為兩類展開討論：石墨烯等離激元超構(gòu)表面（Graphene Plasmonic Metasurfaces）和石墨烯混合集成超構(gòu)表面（Graphene-Hybrid Metasurfaces），前者由圖案化的石墨烯微結(jié)構(gòu)（納米帶、納米盤、納米島等）構(gòu)建，后者一般是將完整的石墨烯層作為周圍環(huán)境或電極集成于金屬或電介質(zhì)超構(gòu)表面，它們均可對電磁波的頻率、振幅、偏振、相位等參量進行動態(tài)調(diào)控。

圖1?石墨烯賦能動態(tài)超構(gòu)表面和超構(gòu)器件示意圖首先介紹了石墨烯的基本光電子特性，并詳細討論了石墨烯等離激元的基本特性、理論和仿真模型，包括傳輸型等離激元和共振型等離激元。隨后，重點討論了石墨烯超構(gòu)表面在動態(tài)光譜調(diào)控、波前整形、偏振控制、頻率轉(zhuǎn)換等方面的原理、方法及器件應(yīng)用，涵蓋了近場和遠場調(diào)控、全局和局域調(diào)控。其中，特別關(guān)注了表面波動態(tài)調(diào)控在下一代片上光子集成技術(shù)與器件方面的潛在價值，例如在石墨烯二維平面上對等離激元波能量的動態(tài)引導(dǎo)、開關(guān)、聚焦、捕獲等。此外，在討論中，作者以石墨烯動態(tài)超構(gòu)表面的潛在實際應(yīng)用為落腳點，列舉多個實例指出了石墨烯超構(gòu)器件在生物傳感、電光調(diào)制、變焦透鏡、渦旋光束產(chǎn)生、偏振旋轉(zhuǎn)/轉(zhuǎn)換、諧波產(chǎn)生/四波混頻、空間光調(diào)制器、波束掃描等方面的潛在應(yīng)用價值。最后，作者分別對兩類石墨烯超構(gòu)表面的未來發(fā)展趨勢進行了展望，并重點指出了制約其進一步發(fā)展的關(guān)鍵因素和可能的解決方案，同時也展望了片上超構(gòu)表面、時變超構(gòu)表面、類石墨烯二維材料等對該領(lǐng)域發(fā)展的重要影響。

3?總結(jié)

該綜述系統(tǒng)總結(jié)了“石墨烯+超構(gòu)表面”在電磁波動態(tài)調(diào)控方面的原理、方法和最新進展，有助于推動超構(gòu)表面的實用化進程。其內(nèi)容豐富、詳實，對想快速全面了解動態(tài)超構(gòu)表面領(lǐng)域的初學(xué)者和非專業(yè)人員具有很高的參考價值，也可以幫助本領(lǐng)域研究人員了解最新進展。相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。

研究團隊簡介

該論文由西北工業(yè)大學(xué)和中國科學(xué)院西安光機所的研究人員合作完成，第一作者為曾超副教授，通信作者為趙建林教授和趙衛(wèi)研究員。曾超副教授是西北工業(yè)大學(xué)光學(xué)工程學(xué)科青年教師，近年來在國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃、中國科學(xué)院“西部青年學(xué)者”、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目支持下，圍繞超構(gòu)表面光場調(diào)控、超快光纖激光技術(shù)等領(lǐng)域開展了系列前沿研究工作，在Photonics Research, Applied Physics Letters, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Optics Express等期刊發(fā)表第一/通訊作者論文17篇，相關(guān)論文總共被他引400余次，1篇論文入選“2014中國光學(xué)重要成果”（現(xiàn)“中國光學(xué)十大進展”）。曾獲中國科學(xué)院院長特別獎、中國科學(xué)院“科苑之星”（學(xué)術(shù)之星）等榮譽稱號。

論文原文

Zeng C, Lu H, Mao D, Du YQ, Hua H, Zhao W, Zhao JL. Graphene-empowered dynamic metasurfaces and metadevices.?Opto-Electron Adv?5, 200098 (2022).https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2022.200098

本文來源：光電期刊

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