超構(gòu)材料（Metamaterials），是電磁學(xué)的一個(gè)研究領(lǐng)域，它是由亞波長(zhǎng)單元周期或非周期排列而組成的人工結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)單元及其排布靈活地操控電磁波，帶來(lái)全新的物理現(xiàn)象和應(yīng)用。而超構(gòu)材料中的亞波長(zhǎng)單元（Subwavelength Element）,實(shí)質(zhì)是常見(jiàn)的電磁波天線（Electromagnetic Antenna）。例如：Pendry等利用銅質(zhì)開(kāi)口諧振環(huán)（Split Ring Resonator）的陣列實(shí)現(xiàn)了頻率在10GHz附近且具有負(fù)等效磁導(dǎo)率的超構(gòu)材料，而其中的銅質(zhì)開(kāi)口諧振環(huán)，本質(zhì)上為微波天線（Microwave Antenna）。Capasso等于2011年在《Science》期刊發(fā)文提出廣義折反射定律時(shí)，所采用的V型金天線（gold V-antennas），則是工作波長(zhǎng)為8μm的金屬電磁天線。

天線，是電磁學(xué)研究中最為完善、應(yīng)用也最廣泛的一個(gè)概念，它的基本功能就是實(shí)現(xiàn)自由空間電磁波與局域電磁場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)換，并調(diào)控電磁波的頻率、偏振態(tài)及相位等參量，如圖1(a)所示。天線的尺度往往小于一個(gè)工作波長(zhǎng)。例如，常見(jiàn)的半波偶極子天線的長(zhǎng)度為工作波長(zhǎng)的一半，因此其符合 “亞波長(zhǎng)單元”的定義。

單個(gè)天線對(duì)電磁波的操控能力是有限的，為了獲得對(duì)電磁波更強(qiáng)大的調(diào)控能力，對(duì)天線陣列（Antenna Array）的研究也就構(gòu)成了電磁學(xué)中的一個(gè)重要的組成部分。因此，超構(gòu)材料可被理解為電磁天線的陣列，而超構(gòu)材料對(duì)電磁波的操控能力，則來(lái)源于電磁天線及其陣列在與電磁波交互作用過(guò)程中對(duì)波長(zhǎng)、偏振態(tài)、相位等電磁波參量的調(diào)控作用。

天線對(duì)電磁波的操控能力，服從麥克斯韋方程組描述的物理規(guī)律，而麥克斯韋方程組的適用范圍涵蓋了從射頻、微波、太赫茲、紅外到可見(jiàn)光的整個(gè)電磁波譜。因此，天線和超構(gòu)材料可以在整個(gè)電磁波譜范圍內(nèi)自由操控電磁波。例如，在微波頻段，有微波天線和微波超構(gòu)材料，在光頻段則有光學(xué)天線和光學(xué)超構(gòu)材料，如圖1(b)~(e)所示。用于構(gòu)建超構(gòu)材料的材料，可以是金屬、介質(zhì)或半導(dǎo)體等。而超構(gòu)材料的運(yùn)用模式，則包含透射式、反射式和吸收式等，如圖2所示。例如，基于 “金屬-介質(zhì)-金屬”結(jié)構(gòu)的偏振選擇型超構(gòu)材料紅外吸收體是一種吸收式超構(gòu)材料，具有調(diào)控電磁波波長(zhǎng)和偏振態(tài)的功能；而基于納米介質(zhì)波導(dǎo)陣列的可見(jiàn)光消色差超構(gòu)材料透鏡，則是一種透射式的超構(gòu)材料，具有調(diào)控電磁波相位（波前）的功能。

圖1 電磁天線及其陣列

圖2 電磁超構(gòu)材料的工作波長(zhǎng)、組成材料、參量調(diào)控功能及運(yùn)用模式

天線和超構(gòu)材料的制備方法，大體可以分為自頂向下（top-down）和自底向上（bottom-up）兩種工藝路線。例如，采用紫外光刻、電子束曝光、激光直寫、納米壓印等方式定義亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的圖案，并結(jié)合薄膜生長(zhǎng)、金屬剝離、干/濕法刻蝕等工藝形成亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，就屬于自頂向下的工藝路線。而采用化學(xué)合成、自組裝等方式形成亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，則屬于自底向上的工藝路線。由于自頂向下的工藝路線可以在亞波長(zhǎng)尺度上精準(zhǔn)定義天線的幾何結(jié)構(gòu)及單元陣列的排布方式，并且與激光器、探測(cè)器等集成光電器件的流片工藝兼容，也可以實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)的大規(guī)模制備，因此本文主要關(guān)注自頂向下的工藝路線。

超構(gòu)材料對(duì)電磁波的強(qiáng)大操控能力，使其成為了構(gòu)建各種新型電磁參量調(diào)控元件的基礎(chǔ)。由自頂向下工藝路線帶來(lái)的CMOS工藝兼容性，和晶圓級(jí)的大規(guī)模制備能力，又使超構(gòu)材料與各種光電器件的集成成為了可能。與傳統(tǒng)光電器件相比，超構(gòu)材料集成式光電器件具有更強(qiáng)大的電磁參量分辨與調(diào)控能力，對(duì)透鏡、濾光片、偏振片等分立光學(xué)元件的依賴程度更低，與之相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)也更緊湊、更輕巧。

本文將從分析超構(gòu)材料對(duì)電磁波的頻率 (波長(zhǎng))、偏振態(tài)與相位 (波前)等參量的調(diào)控與分辨能力入手，結(jié)合紅外探測(cè)芯片及成像系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，介紹超構(gòu)材料與紅外探測(cè)芯片結(jié)合，在雙色/多色成像、高光譜成像、偏振成像等先進(jìn)成像模式中的應(yīng)用，以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究進(jìn)展。

電磁波及其參量調(diào)控

電磁波是由同步振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的橫波，它是人類獲取外在世界信息的基本途徑之一。比如，人眼可以通過(guò)接收可見(jiàn)光頻段（400nm~700nm）的電磁波獲取目標(biāo)的圖像信息；而紅外探測(cè)芯片，則進(jìn)一步拓展了人類在紅外頻段獲取電磁信息的能力。這里的紅外頻段包括：0.9μm~1.7μm（短波紅外）、3μm~5μm（中波紅外）和8μm~14μm（長(zhǎng)波紅外）。如圖3(a)所示，在電磁波譜的每一個(gè)頻段（如可見(jiàn)光、紅外、太赫茲、微波、射頻等），人們都構(gòu)建了相應(yīng)的信息獲取技術(shù)。

強(qiáng)度（振幅）、頻率（波長(zhǎng)）、偏振態(tài)與相位（波前），是描述電磁波的基本物理參量。振幅描述了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的絕對(duì)值大小，而強(qiáng)度正比于振幅的平方，表征了電磁波攜帶的功率大??；頻率描述了電場(chǎng)與磁場(chǎng)作周期性振蕩的快慢程度，它與波長(zhǎng)成反比；相位描述了電場(chǎng)與磁場(chǎng)在周期振蕩過(guò)程中所處的時(shí)間進(jìn)程，而空間中相位相同的點(diǎn)所構(gòu)成的面，即為波前。圖3(b)顯示了電磁波的兩種常見(jiàn)的波前：平面波前和球面波前。偏振態(tài)則描述了電場(chǎng)矢量與磁場(chǎng)矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的變化狀態(tài)。例如，圖3(c)、圖3(d)分別顯示了電磁波的兩種典型偏振態(tài)——線偏振態(tài)和圓偏振態(tài)。

圖3 電磁波及其參量

電磁波的上述參量在獲取目標(biāo)電磁信息的過(guò)程中扮演了重要的角色。例如紅外熱像儀通過(guò)物體在特定紅外頻段中輻射的電磁波獲取目標(biāo)的形貌，其實(shí)質(zhì)是獲取電磁波的強(qiáng)度分布圖像。這種圖像來(lái)源于電磁波在特定紅外頻段（短波、中波或長(zhǎng)波）內(nèi)，對(duì)所有頻率分量和所有偏振態(tài)分量的積分。換言之，熱像儀所形成的圖像并沒(méi)有區(qū)分電磁波的頻率和偏振態(tài)。然而，來(lái)自目標(biāo)物體的電磁波的頻譜特征和偏振態(tài)也包含了該物體的豐富信息。例如各種氣體分子在紅外頻段都有其特征吸收/輻射波長(zhǎng)，這些特征波長(zhǎng)是區(qū)分氣體種類的指紋性信息，如圖4所示。而各種固體目標(biāo)表面的微結(jié)構(gòu)，會(huì)使其輻射/反射的電磁波的偏振態(tài)具有相應(yīng)的特征，這些特征偏振態(tài)是區(qū)分不同目標(biāo)物體的又一重要維度。

圖4 氣體分子在紅外頻段的特征吸收波長(zhǎng)

為了進(jìn)一步挖掘這些信息，需要對(duì)頻率和偏振態(tài)進(jìn)行精確分辨。相應(yīng)地，雙色/多色成像、高光譜成像、偏振成像等先進(jìn)成像模式也被發(fā)展起來(lái)。以雙色/多色成像為例，通過(guò)在兩個(gè)（或多個(gè)）較窄的紅外頻段分別獲取目標(biāo)與背景的圖像，并對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以有效提高圖像的信噪比，并凸顯目標(biāo)物體的輪廓；而高光譜成像，則是將電磁頻譜進(jìn)一步劃分為若干更窄的頻帶，并在每一個(gè)窄頻帶的中心波長(zhǎng)處獲取目標(biāo)的圖像。這樣獲取的圖像集合，既包含了目標(biāo)物體輻射的電磁波強(qiáng)度分布，又包含了目標(biāo)物體每個(gè)位置的光譜信息；偏振成像，則是在獲取目標(biāo)物體輻射的電磁波的強(qiáng)度分布圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步獲取電磁波的偏振態(tài)分布圖。通過(guò)將強(qiáng)度分布圖與偏振態(tài)分布圖進(jìn)行比對(duì)，可以將輻射強(qiáng)度相近但偏振特性差異較大的物體區(qū)分開(kāi)來(lái)。美國(guó)華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的Viktor Gruev等人于2010年報(bào)道了基于像元級(jí)集成納米線柵結(jié)構(gòu)的CCD偏振相機(jī)。如圖5(a)所示，通過(guò)在CCD焦平面探測(cè)器的每個(gè)像元上集成鋁納米線柵，使得每個(gè)像元能夠獨(dú)立分辨可見(jiàn)光的偏振態(tài)，再配合相應(yīng)的讀出電路和圖像處理算法，就可以對(duì)目標(biāo)在可見(jiàn)光波段的輻射強(qiáng)度和偏振態(tài)同時(shí)成像。從圖5(b)~圖5(d)可以看出，同樣的探測(cè)目標(biāo)在光強(qiáng)分布圖和偏振態(tài)分布圖上呈現(xiàn)出來(lái)的特征是顯著不同的，這就大大增強(qiáng)了探測(cè)器對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力。

圖5 基于像元級(jí)集成納米線柵結(jié)構(gòu)的CCD偏振相機(jī)

用于調(diào)控光頻電磁波參量的元件有濾光片、偏振片、透鏡等。以帶通濾光片為例，通過(guò)在透明襯底上沉積多層膜系結(jié)構(gòu)，可以選擇性地透過(guò)某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波，實(shí)現(xiàn)濾光功能；而就線柵偏振片而言，通過(guò)在襯底上人為加工金屬線柵結(jié)構(gòu)，就可以選擇性地透過(guò)電磁波的某一偏振態(tài)分量，并反射其余的偏振態(tài)分量；透鏡，則是由透明材料加工制成的具有特定曲面面型的元件。電磁波在經(jīng)過(guò)透鏡時(shí)，在鏡面不同位置處積累不同的相位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波波前（等相位面）的調(diào)控。

將作為電磁參量調(diào)控元件的濾光片、偏振片、透鏡，以及將電磁波轉(zhuǎn)化為讀出電信號(hào)的探測(cè)芯片，按照一定的順序組合在一起,就得到了各種光學(xué)系統(tǒng)。由于這些分立式的電磁參量調(diào)控元件和探測(cè)芯片的功能單一，在實(shí)際應(yīng)用中，光學(xué)系統(tǒng)往往要加入為數(shù)眾多的元件才能實(shí)現(xiàn)特定的功能，這使得成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。如果能實(shí)現(xiàn)電磁參量調(diào)控元件與探測(cè)芯片的集成化與多功能化，就可以使光學(xué)系統(tǒng)更緊湊、更輕巧。