突破性进展！基于折纸可重构超表面实现异常波束调控 —— 为生命科学光学技术带来全新变革

为解决机械可重构超表面波控能力受限问题，复旦大学研究人员开展基于 kirigami 旋转变换的超表面研究。结果实现多自由度调控，制出波束翻转器和分裂器。该研究为电磁调控及多领域应用开辟新方向，值得科研人员一读。

　　

复旦大学材料科学系（Department of Materials Science, Fudan University）的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Abnormal beam steering with kirigami reconfigurable metasurfaces” 的论文。这篇论文在电磁学及材料科学领域意义重大，为动态控制电磁波提供了新的思路和方法，有望推动可重构超表面（metasurfaces，是超材料的二维版本，由精心设计的功能单元即超原子和它们的几何排列构成，具有自然界材料所没有的独特物理性质 ）在多个领域的应用发展。

一、研究背景

超材料（Metamaterials）作为人工合成的材料，拥有自然界中不存在的独特物理性质，如特殊的机械、光学、电学、磁学等特性。这些性质依赖于精心设计的功能元件（超原子）及其几何排列。可重构超材料能够通过刺激响应机制来调控功能超原子的物理性质或其空间分布，以满足实际应用中的多样需求。近年来，可重构平面光学超表面成为研究热点。

然而，此前实现的机械可重构超表面大多存在波控能力受限的问题。一方面，多数研究集中于通过对组成的刺激响应材料施加电、热或光刺激来控制超原子的基本光学响应，如振幅和相位。但不同频段的可重构超表面需要不同材料，这种策略仅适用于特定频段和特定材料的超表面，而且具备多种调谐功能的超表面往往存在成本高、制造困难、效率低和控制系统复杂等问题。另一方面，虽然通过机械改变超原子空间排列也能实现可重构超表面，且这种方法适用于广泛频段和材料系统，但传统的通过基底变形仅改变晶格常数（和）的方式，对反射光束的调谐范围有限，例如光束弯曲的调制角度仅有几度；而采用电机阵列单独旋转局部超原子的机械超器件，虽然能实现复杂的光束转向效果，但存在系统庞大、控制过程复杂的问题，并不适用于微尺度器件。因此，开发一种既具有广泛适用性又能提供广泛调谐范围的机械可重构超表面的策略至关重要。

二、研究方法

研究人员提出了一种基于 “旋转方块”（Rotating Square，RS）折纸技术的策略，通过同步操纵相位延迟、晶格常数和这三个自由度（degrees of freedom，DoFs），显著扩展了机械可重构超表面的调谐范围和功能。

在这个过程中，利用了几何相位（也称为 Pancharatnam - Berry 相位，PB 相位 ）的特性。通过在基底变形时机械旋转超原子的取向来调节光学几何相位。对于反射型超原子，其光学性质由琼斯矩阵描述，当单元发生几何旋转时，琼斯矩阵会相应改变。在左旋圆偏振（left - handed circularly polarized，LCP）波或右旋圆偏振（right - handed circularly polarized，RCP）波照射下，超原子的交叉偏振反射光束会获得与旋转角度相关的几何相位。

RS 折纸图案具有负泊松比的特性，在变形过程中，每个红色和蓝色面板会分别顺时针（clockwise，CW）或逆时针（counter - clockwise，CCW）旋转。超原子随面板一起旋转，导致其取向改变，进而改变几何相位。同时，RS 图案的变形还能有效调节晶格常数和，且在变形过程中始终等于，它们与面板旋转角度满足特定的关系。这样，所有这些自由度都可以通过 RS 折纸图案的面板旋转角度灵活控制，为动态操纵电磁波提供了有力的技术手段。

为了实现高性能的波前控制，研究人员采用优化技术设计了一种 PB 超原子。这种超原子由 A 形金属微结构和金属镜通过介电间隔层（）隔开组成，处于金属 - 绝缘体 - 金属（metal - insulator - metal，MIM）配置，能够完全反射入射波并阻断所有传输通道。研究人员还评估了该超原子的偏振转换比（polarization conversion ratio，PCR），设计的超原子在 12.5 - 16GHz 的频率范围内实现了高于 0.8 的高 PCR，满足了预期标准。

三、研究结果

1. 同步调谐三个自由度：研究人员利用 RS 折纸图案实现了对超原子三个自由度的同步调谐。在 RS 折纸图案的变形过程中，超原子随面板旋转，其几何相位会根据面板旋转角度和入射圆偏振波的手性发生变化，对于蓝色面板上的超原子，，对于红色面板上的超原子，。同时，晶格常数和也能根据公式进行有效调节。这一机制为灵活控制电磁波提供了关键的技术支持。
2. 旋转方块折纸超表面作为波束翻转器：研究人员设计了一种可重构折纸超表面作为波束翻转器。在未展开状态（）时，该超表面满足线性几何相位分布，相邻超原子的取向沿和方向有 45° 的恒定差异，对应几何相位差为 90°，此时在 16GHz 下，携带 RCP 的异常反射光束的反射角。随着折纸变形，超表面经过中间状态（），此时相位分布变为二元图案，相位差为 180°，产生对称的异常双波束，反射角为。到展开状态（）时，相位梯度与未展开状态相反，导致异常反射光束翻转，反射角为。

研究人员通过 3D 打印制作了可变形的折纸树脂基底，并将预先设计好的超原子通过普通印刷电路板（printed circuit board，PCB）技术制作并附着在基底上，形成了可重构 PB 超表面。通过远场角扫描测量，检测反射电磁波的归一化电场强度，实验结果与理论预测相符，在未展开、中间和展开状态下，偏转光束的反射角分别约为 +33.5°、±25° 和 -23°。有限差分时域（finite - difference time - domain，FDTD）模拟结果也与实验结果吻合良好。该波束翻转器在 12.5 - 16.5GHz 的宽频带内，异常反射模式在整个反射角区域占主导地位，实现了宽带波束调谐和翻转。在整个变形过程中，波束翻转器的调谐范围可以覆盖。同时，研究人员还分析了反射和传输模式的耦合效率，发现异常反射模式的效率在未展开、中间和展开状态下分别为 97.5%、50.7% 和 36.5%，与模拟结果相符；正常传输模式的效率从 0 增加到约 52%，而异常传输模式不存在，在整个过程中正常反射模式的强度几乎为零，证明了超表面的高性能。
3. 旋转方块折纸超表面作为波束分裂器：研究人员还设计了另一种折纸超表面作为波束分裂器。在未展开状态（）时，该超表面由两个不同的超单元（每个超单元由 4×4 个相同的超原子组成）组成，超单元取向相差 90°，呈现棋盘状相位分布，相邻像素相位差为 180°，此时入射的线性偏振（linearly polarized，LP）光会被分成四个强度相等的异常反射模式，在 16GHz 下，异常反射角。在中间状态（），虽然相位分布仍为二元，但两个超单元的相位差变为 90°，导致正常反射模式不能完全被抑制，出现正常镜面反射模式和异常反射模式共存的情况。到展开状态（）时，所有超原子相位相同，整个装置像一个带有周期性气孔的平面镜，四个源于衍射效应的异常反射模式被抑制，单一的正常反射模式占主导。

同样通过远场扫描测量验证了该波束分裂器的性能。实验中用 12 - 17GHz 的 LP 正常入射电磁波照射超表面，用 RCP 天线收集散射远场强度的角分布。在未展开状态下，清晰观察到四个波束，反射角约为 33.5°；中间状态下，四个分裂波束的强度明显降低，同时出现正常反射模式，由于晶格常数的缩放，异常反射角变为约 25°；在展开状态下，只有正常镜面反射模式。实验还展示了该可重构超表面的宽带响应，FDTD 模拟结果与实验结果和理论分析相符。研究人员分析了从到状态下的相位分布和功能，发现该装置在和区域具有相同的功能。波束分裂器在未展开、中间和展开状态下，异常（或正常）反射效率分别为 95.6%（或 4.4%）、32.6%（或 22.7%）和 4.0%（或 37%），实验结果与模拟结果吻合良好。

四、研究结论与讨论

研究人员基于 RS 折纸变换，开发了一种设计机械超表面的策略，能够同步调制超原子的三个自由度，实现了可重构的电磁波前工程。作为概念验证，设计并制作了两种折纸超表面 —— 波束翻转器和波束分裂器，这些功能是目前的机械可重构超表面无法实现的。此外，研究人员还提出了基于 RS 的金属透镜（metalens），进一步展示了所提出的折纸设计概念在可重构波前控制方面的通用性。

然而，该折纸超表面的变换不可避免地会引入气隙，导致不期望的传输模式和异常反射效率降低。为解决这个问题，研究人员探索了一种潜在的解决方案，即设计级联超表面来补偿气隙引起的传输损耗。随着微纳制造技术的进步，微尺度折纸器件已逐渐实现，这使得基于折纸的可重构超表面尺寸能够方便地缩小，适用于更高频率的应用。而且，不同的折纸图案，如旋转矩形或三角形，以及在单个旋转面板上放置不同的超原子创建超单元，都为先进的光学功能提供了更广阔的设计空间。

此外，在各种超材料中，与取向相关的物理性质已被广泛研究。例如，磁性耦合强度强烈依赖于磁偶极子的取向；在电子学中，覆盖精心设计的独立电路的超原子可使超材料通过简单旋转改变输出信号；在声学超材料中，通过级联超光栅的几何旋转可实现声波的相位变化。因此，研究人员相信本文提出的利用超原子的折纸旋转变换来主动调制超材料整体物理响应的策略，有潜力在多个研究领域实现更复杂的功能，为动态超器件的发展开辟了广阔的前景。这一研究成果不仅为电磁学领域的理论研究提供了新的方向，也为实际应用中的通信、成像、传感等技术发展奠定了基础，有望推动相关领域的技术革新和进步。