光学超材料的本领不只有隐形

原标题：光学超材料的本领不只有隐形

光学超材料就是利用波长与光的波长相近或更短的人造结构来调控光的行为，包括光的强度、偏振态和相位等。光学超材料依然遵循物理规律，只是在研究视角和研究尺度上和传统的光学材料有所不同，需要在微米、纳米等亚波长尺度下设计和调控材料的电磁学性质。

光学超材料是由亚波长结构单元或具有特异电磁特性的超原子组成的人工微纳结构材料。通过人工改变构成材料的结构单元，可使光学超材料表现出一些新奇的光学性质。例如，特殊的微纳结构让光学超材料能够以特定的方式对光的传输进行调控，从而达到隐形效果。

什么是光学超材料？光学超材料未来还有哪些改变人们生活的应用场景？日前，华中科技大学光学与电子信息学院教授杨振宇、张诚和副教授缪灵接受了科技日报记者专访，揭开了光学超材料的“神秘面纱”。

通过改变材料结构来调控光的行为

一块透明的玻璃，通过改变成分可以让它的透光率和颜色发生变化。而除了调节成分以外，还可以通过在这块玻璃表面刻上像窗纱一样的具有周期性的亚波长格子图案，来使直射在它表面的光发生偏转或者反射，甚至让它产生透镜的效果。“通过改变材料结构让自然材料变成一种人工材料，产生它原本没有的特性，这就体现了光学超材料中‘超’的特点。”缪灵说。

从专业角度来讲，光学超材料就是利用波长与光的波长相近或更短的人造结构来调控光的行为，包括光的强度、偏振态和相位等。光学超材料依然遵循物理规律，只是在研究视角和研究尺度上和传统的光学材料有所不同，需要在微米、纳米等亚波长尺度下设计和调控材料的电磁学性质。

“大致上光学超材料的研究主要集中在设计和加工制备这两个方向。”杨振宇介绍，在光学超材料的设计上，现在既有基于麦克斯韦方程组或者声学、热学、力学中对应的传统设计方法，也有将深度学习、人工智能引入超材料设计的新方法。

在制备技术层面，则可以根据维度的不同将光学超材料分为二维超材料和三维超材料。二维超材料以光学超表面为代表，可以在很薄的一层亚波长结构上实现对入射光的调控。相比三维的体超材料，光学超表面具有一定的加工优势，可以完全兼容平面化的传统半导体微加工方式，因此成为主流的研究方向。而三维的光学超材料则主要利用自组装、多层纳米结构、激光3D打印等技术来制备。

光学超材料应用领域十分广阔

光学超材料可用于光学器件及光学传感器制造，例如光学超透镜就是利用光学超表面设计加工出来的一种具有透镜功能的器件，可用其来构建小巧、紧凑、高质量的成像系统。此外，利用光学超材料及超表面技术，有望研制高性能、多功能和集成化的光学器件，打破传统光学技术的限制，在紫外、深紫外，甚至真空紫外波段应用。

在能源和环境领域，越来越多的科研团队正想方设法地在太阳能电池板的表面甚至是内部结构中，利用光学超材料来提升太阳能电池板的光电转换效率。

光学超材料的另一个研究方向是结构色，也称物理色。张诚介绍，像大自然中孔雀的羽毛还有蝴蝶的翅膀，它们看起来很漂亮的颜色并不是因为里面含有某些化学物质或者染料，而是因为它们的微观结构导致其与入射的太阳光发生了相互作用。“基于此，我们可以去设计各种人工微观结构，做出我们想要的颜色。”他说。结构色是依靠结构本身产生的颜色，其不依赖化学物质，具有良好的持久性和稳定性，应用在彩色打印和照片冲洗上，可以达到在日照下不褪色的效果。“结构色还可以用于制作口红或者汽车喷漆，不仅无毒无害，而且合成出来的颜色在视觉效果上往往也更高级。”张诚说。