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电磁超材料(metamaterial)，亦称为新型人工电磁媒质、超构材料等，其特点是将具有亚波长尺度的人工单元结构(人工原子)按照周期或非周期进行排列，进而获得超越自然材料极限的电磁特性，例如负折射率、零折射率、超高折射率、高频磁响应等[1-4]。20世纪90年代以来，关于电磁超材料基础理论、功能器件与工程应用的研究引起了物理、信息和材料领域的广泛研究兴趣。基于超材料可设计的电磁参数及其分布，研究人员开发了超材料隐身衣、透镜、天线等各种新型器件[5-10]。根据超材料的场局域与场增强特性(这种效应在表面等离激元超材料中尤为显著)以及亚波长尺度特点，研制了新颖的超材料传感与成像器件，可以有效提升传感器的灵敏度与成像分辨率[11-13]。随着数字编码与可编程超材料的提出与实现，超材料的表征与设计均以二值数字方式(即数字0和1)进行，从而促进了超材料与信息技术的融合，使得新体制超材料成像系统和通信系统成为可能[1, 14-15]。
太赫兹频率区在电磁频谱中介于微波和远红外之间，通常定义为0.1~10 THz的电磁辐射[16]。随着太赫兹源、探测器的快速发展和太赫兹功能器件的不断开发，近年来太赫兹科学与技术取得了蓬勃发展。太赫兹技术在材料表征、安全检查、生物医学成像和通信等方面均具有很好的应用前景[17-18]。其中在成像方面，相比于微波和毫米波频率，太赫兹成像仪将具有更高的空间分辨率，而相比于光学成像，太赫兹辐射因具有更好的穿透性，因此可以获得更多的深度信息[19]。同时，由于这是一种非电离辐射，具有更好的生物安全性，因此，太赫兹成像应用一直以来得到了广泛关注。太赫兹超材料和超表面因具有亚波长单元尺度以及对电磁波幅度、相位和极化特性的灵活操控等优点，因此在太赫兹成像系统中具有广阔的应用前景[20-21]。
本文首先介绍了太赫兹超材料的研究概况，重点讨论了可调谐与可重构太赫兹超材料、太赫兹数字编码与现场可编程超材料的研究进展；在此基础上，阐述了太赫兹超材料在成像领域的应用，包括基于超表面透镜、超材料吸波器、可重构超表面和现场可编程超表面的太赫兹成像技术；最后讨论了太赫兹超材料及其成像应用发展趋势。
1 太赫兹电磁超材料1.1 太赫兹超材料的研究概况20世纪90年代，英国帝国理工学院John Pendry爵士提出采用等效媒质参数的方法构建低频的负介电常数和负磁导率[22-23]，并由美国杜克大学Smith教授团队在微波频率进行了实验验证[24]，自此开始了电磁超材料持续20余年的高热度研究。随着微纳加工技术的使用，太赫兹、红外、可见光波段的超材料也得以在实验室中实现[25-27]。尤其是太赫兹磁超材料，突破了自然材料的限制，获得了高频下的磁响应[25]。如图 1(a)所示，开口谐振环(spilt-ring resonator，SRR)结构在垂直于环面的磁场分量激励下，产生磁响应；对于外环尺寸和周期长度分别为32 μm和44 μm的SRR阵列，其磁谐振频率约为1.0 THz。基于太赫兹超材料也可以获得负折射率或超高折射率。同时，研究人员研制了各种新型太赫兹超材料器件，包括隐身衣、吸波器、调制器和光开关等，以调控太赫兹波的传播性质[28-30]。如图 1(b)所示，采用金属线谐振器和损耗介质，设计了多层太赫兹吸波器，在0.5 THz频宽范围内(中心频率为1.06 THz)实现了吸收率超过95%的宽带高效吸波[29]。因此，太赫兹超材料在很大程度上提升了人们操控太赫兹波的自由度。
电磁超表面，作为一种两维形式的超材料，吸引了广泛的研究兴趣。相比于三维超材料，超表面单元具有深亚波长厚度，其对于电磁波的操控不依赖于空间上的相位累加，而是依据相邻单元之间的相位梯度(不连续分布)，实现对电磁波波前、振幅、相位和极化等性质的操控[31]。因此，采用超表面方案有益于设计超轻超薄、易共形的太赫兹器件，例如超表面异常反射/折射器件、极化转换器、低散射器件等[32-35]。图 2(a)为波束异常偏折超表面的结构示意图。其单元由8种具有不同相位的谐振器组成，可以实现360°的相位覆盖。通过超表面与一对正交光栅的组合，可以实现透射式的太赫兹线极化波的异常偏折和高效极化转换[32]。如图 2(b)所示，采用类工字型单元结构设计了一种线极化波转换器件[33]。如图 2(c)所示，通过设计具有不同振幅和相位响应的超表面单元的排布方式，可以实现太赫兹波束的超低散射(雷达散射截面缩减，即RCS缩减)和电磁隐身[35]。因此，太赫兹超表面器件可以实现对太赫兹波束的灵活操控且具有质量轻、易共形的优势。
超材料的电磁性质通常取决于人工设计的单元结构，因而超材料结构一旦固定，其电磁性质也随之固定。具有多功能、工作频率可调等特点的可调谐与可重构超材料引起了广泛的研究兴趣。典型的超材料可调谐物理机理是通过改变温度、外加电场或磁场等因素改变构成材料或周围媒质(如衬底材料)的电磁性质(如介电常数和磁导率)，以实现超材料工作频率、传输性质可调谐的目的。常用的材料包括超导材料、石墨烯、液晶、相变材料、金属钛酸盐和磁性材料等[21, 36]。
Chen等[37]在厚度为180 nm的YBCO(YBa2Cu3O7-δ, δ=0.05)超导薄膜上设计了太赫兹SRR超材料，其太赫兹谐振频率和透射性质随温度可调。其工作原理是超导薄膜的电导率与温度相关，进而导致SRR超材料的电磁谐振特性随温度可调(见图 3(a))。石墨烯是一种二维材料，其表面电导可以通过改变化学势进行调控，因此也可以应用于可调谐超材料。图 3(b)所示的超材料器件是在零折射率超材料的表面覆盖单层石墨烯，通过电调节石墨烯的费米能级实现了可调控的Goos-Hänchen效应[38]。基于石墨烯的超材料吸波器、光开关、移相器也被广泛报道。向列相液晶材料的光学性质具有各向异性，例如LC1852的太赫兹正常和反常折射率分别为1.56和1.89，因此在太赫兹可调超材料、太赫兹移相器和太赫兹波束扫描器件中均具有潜在应用[39]。液晶/超材料可调吸波器如图 3(c)所示，其结构由谐振单元、液晶层和金属背板层组成[40]。通过电偏置调节液晶的取向，可以在2.62 THz频率实现30%的吸收调节。此外，采用液晶材料可以设计太赫兹玻片，其结构包括：石英衬底、金属光栅、磺酸偶氮染料、液晶和石墨电极等。通过调节偏置电压以改变o光和e光的相位差，可以动态改变出射光的偏振态，分别获得线偏振、圆偏振和椭圆偏振太赫兹光[41]。
二氧化钒(VO2)是一种典型的相变材料，其金属-绝缘体相变温度约为68 ℃，可以通过施加强电场、激光或压力诱导相变。绝缘态VO2的太赫兹介电常数约为9，随温度升高，其电导率增加，外延VO2薄膜的电导率可以达到105 S/m，因此需考虑复介电常数[42]。VO2在可调谐超材料器件中得到了广泛应用[43]。图 3(d)为VO2/超材料滤波器结构示意图[44]。研究结果表明，随着温度由25 ℃上升到90 ℃，其谐振滤波频率由约0.41 THz蓝移至约0.54 THz。Hillman等[45]采用VO2设计了一种宽带的太赫兹移相器，在220~250 GHz频率范围内实现了超过300°的移相，这可以应用于包括波束扫描在内的太赫兹波束操控。基于介质材料(如金属钛酸盐)的超材料及器件也具有随温度可调的特点[46]。
磁性材料在可调谐超材料中也具有广泛的应用。Bi等[47]采用Mn-Zn微波铁氧体材料设计了磁超材料单元，并通过与金属线单元进行复合，实现了热可调的负折射率(铁氧体具有亚铁磁-顺磁相变，因此其磁响应性质与温度相关)。此外，采用铁氧体基超材料可以实现磁可调的宽带微波滤波器[48]。图 3(e)给出了一种磁可调的太赫兹调制器示意图，其主要构成包括太赫兹超材料层和磁流体层，其中磁流体层为Fe3O4纳米材料。结果表明，当磁场偏置的强度为194 mT时，太赫兹透射幅度的调制深度可达到34%[49]。
可重构超材料一般是指通过超材料几何结构的重构，实现其性能的重构或可调。可重构超材料的常见方式包括微电子机械系统(MEMS)技术和形变技术(如热、应力诱导的形变)[50-51]。图 4(a)是一种基于MEMS技术的太赫兹可重构超材料，其单元结构由两部分组成，分别是固定开口环和可移动开口环，其中后者放置在可移动平台上，且可以通过微机械执行器实时控制其位置，进而实现超材料单元谐振性质的动态调控[50]。结果表明，随着固定环和可移动环的距离改变，超材料磁谐振频移显著，且等效磁导率曲线也随之移动。通过驱动电压改变悬臂梁的高度，进而调节超材料单元的几何参数和谐振频率也是MEMS技术中的一种常用方法[52]。基于热或应力效应改变超材料的形状，也可以实现超材料的重构。通常是对不同热导率材料组成的超材料进行升降温处理使其弯曲，或者对延展性佳的衬底进行拉伸以改变超材料几何参数[51]。
此外，在超材料单元中引入有源元件或功能材料，如二极管、半导体材料、石墨烯等可以构筑有源超材料[53-54]。通过对有源超材料施加偏置电压或光泵浦等激励条件，可以实现超材料电磁性质的实时调控，从而达到操控太赫兹波束的目的。如图 4(b)所示，在超材料单元(图中黄色部分为金属Al)中引入了半导体Si(图中红色方块)，通过改变光泵浦强度从而改变Si的电导率，可以实现太赫兹电磁诱导透明的有源控制[54]。此外，采用经过场分布调制(如空间光调制器)的泵浦光激励半导体材料(如Si)，由于光照区和非光照区的表面电导率不同，对应的太赫兹相位响应也不同，从而形成特定的超表面图案；通过调整泵浦光的强度分布，可以实现超表面的图案重构[55]。
可调谐、可重构和有源超材料使得超材料的功能不再是固化的，而是可以通过外加激励进行调控，以实现超材料的工作频率可调或在不同功能间进行切换，从而能够在更大的自由度上操控电磁波的传输性质。
1.3 太赫兹数字编码与可编程超表面经典的超材料体系通常采用等效媒质参数描述超材料的电磁性质，设计超材料隐身衣、超材料透镜时主要是设计等效电磁参数的分布。由于基本原理的限制，等效媒质超材料很难和信息技术相融合，因此，东南大学崔铁军教授提出了数字编码超材料和现场可编程超材料的概念[14]。数字编码超材料根据单元响应相位(或振幅)的不同进行二进制编码(如1-bit编码，则相位为0°和180°的两种单元对应的数字编码为0和1；再如2-bit编码，相位为0°，90°，180°和270°的4种单元对应的数字编码为00，01，10和11)，设计超材料时只需要根据功能需求设计编码图案即可。如图 5(a)所示，太赫兹数字编码超表面的单元结构是一种Minkowski结构，其相位响应与单元尺寸近似为线性关系且可以覆盖2π范围，因此选取不同尺寸的单元可以分别获得1-bit，2-bit和3-bit数字编码超表面[56]。通过优化编码图案，可以实现太赫兹波的单波束、双波束、多波束辐射和RCS缩减。
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图 5 数字编码与可编程超材料示意图(a)太赫兹编码超表面[56]；(b)微波可编程超表面单元结构与FPGA控制模块[14]；(c)基于MEMS工艺的太赫兹可编程超表面的单元相位响应[57]；(d)太赫兹可编程超表面的编码序列示意图Fig. 5 Schematic diagrams of digitally coding metamaterials and programmable metamaterials(a)terahertz coding metasurface[56]; (b)microwave programmable metasurface: unit cell and FPGA controlling module[14]; (c)phase response of the element of the terahertz programmable metasurface based on MEMS technology[57]; (d)schematic diagram of the coding sequence of the terahertz programmable metasurface |
现场可编程超材料则是在超材料单元中嵌入有源元件(如开关二极管)，通过调控二极管通断实现超材料单元相位响应(数字编码态)的实时调节；将数字编码序列输入现场可编程门阵列(FPGA)中，通过FPGA控制偏置电压以实现超材料阵列编码图案的实时切换，进而操控超材料阵列的远场辐射性质(见图 5(b))[14]。在太赫兹频段，有源元件的应用受到一些寄生效应的限制，因此可以采用MEMS工艺或者可调谐材料(如石墨烯、液晶等)实现相位的实时调控。Cong等[57]基于MEMS工艺设计了一种太赫兹可编程超表面的方案。如图 5(c)所示，通过驱动电压改变悬臂与衬底的夹角可以调控超表面单元的相位响应，相位覆盖范围超过300°，因而可以按需设计1-bit和2-bit编码单元。图 5(d)是一维1-bit编码序列的示意图，即编码图案按列独立调控，而二维可编程超表面在太赫兹波段的难度很大，主要是控制电路的复杂度高。基于石墨烯的太赫兹可编程超表面引起了关注。即在单元中嵌入石墨烯材料，通过施加偏压调控单元的相位响应以实现编码态的实时切换。
数字编码超材料与现场可编程超材料亦称为信息超材料，通过超材料描述方式和设计方法的数字化，实现了超材料与信息技术的融合，因此基于信息超材料可以直接进行数字信息处理，进而开发新体制的无线通信系统和成像系统。
2 太赫兹超材料成像2.1 超材料成像概述太赫兹成像因具有高的空间分辨率和生物无损等特点，在安全检查与材料、生物组织检测中均具有重要的应用。按照成像原理不同，可以分为近场成像和远场成像，两者分别是收集近场倏逝波信号和远场传导波信号进行成像。近场成像可以突破衍射极限、获得亚波长分辨率，但对成像设备和环境要求较高；远场成像的分辨率相对较低，但对设备要求较低且可以对尺寸较大的物体成像[17]。
如前所述，电磁超材料的其中一个重要应用即超分辨成像。采用负折射平板透镜(“完美透镜”)进行成像，可以将倏逝波信号进行放大，从而获得亚波长的成像分辨率[58]。然而“完美透镜”损耗显著，实用性差。Zhang等[8]采用Ag等离子体透镜实现了365 nm波长的亚衍射极限成像，分辨率达到1/6波长。上述的超分辨成像均在近场获得，而采用双曲线超材料可以将倏逝波转换为传输波并在远场获得亚波长分辨率的图像。由Ag, Al2O3薄膜交替构成的圆柱腔超透镜实现了365 nm波长的亚波长成像，分辨率达到130 nm[59]。值得注意的是，基于超材料滤波器的图像传感器也吸引了众多的研究兴趣。超材料滤波器的工作波长与尺寸相关，通过调节几何参数使得3种单元的透射带分别处于红、绿、蓝波段，从而可以构成一个完整像素、应用于可见光的图像传感器[60]。由于超材料单元具有亚波长特点，因此有利于减小像素尺寸、提高分辨率。
近年来，信息超材料的诞生，提供了一种新的成像机制。由于现场可编程超材料的辐射图案可以通过FPGA进行实时切换，进行成像时，可以采集目标在不同辐射图案下的散射信号，经逆散射算法进行信号处理后即可重构目标[61]。这种成像方式具有单传感器、单频点和无需扫描的特点。此外，采用可编程超表面还可以进行动态全息成像[62]，若能够将工作频率由微波拓展至太赫兹频率，进而提升空间分辨率，则将具有重要的应用前景。当然，在太赫兹频段，半导体有源元件局限性较大，而可调谐材料则有望取而代之。
2.2 太赫兹超材料成像的研究进展2.2.1 基于太赫兹超表面透镜的成像技术相比于传统的光学透镜，平面型的超表面透镜厚度小、质量轻，有利于成像系统的小型化和集成化。图 6(a)，(b)分别为太赫兹超表面单元结构和超表面透镜示意图[63]。超表面单元为金属-介质-金属3层结构，周期和厚度分别为100 μm和50 μm。超表面透镜的设计工作频率为0.84 THz，聚束后的焦点直径约为波长的1.26倍，入射角度范围可达30°且对入射极化不敏感。全介质超透镜及其光学显微图像如图 6(c)所示[64]。超透镜单元为沉积在SiO2表面的Si柱，其尺寸为0.39 λ0(工作波长为118.8 μm)。超透镜焦长和半径均为300 λ0，数值孔径为0.707，聚束时最大入射角度可达48°。
采用太赫兹超材料吸波器阵列可以设计太赫兹成像探测器。基于超材料吸波器进行多光谱成像的示意图如图 7(a)所示[65]。该成像系统是阵列大小为24×24的热辐射计矩阵结构，主要由人工阻抗表面AIS(包括超表面MS、高分子薄膜PP和金属地GL)和红外辐射层EL组成。其设计工作频段为0.3~0.4 THz，由4种不同的像素组成：其中3个像素的偏振灵敏度取向相同，且吸波频率分别为0.30，0.33，0.36 THz；第4个像素的频率为0.33 THz，其偏振灵敏度取向与前3个像素正交。像素尺寸为0.9 mm×0.9 mm，周期为1.3 mm×1.3 mm，均具有近乎完美的太赫兹波吸收率。成像过程中，超材料吸波器吸收太赫兹能量导致温度上升，并以红外辐射的方式释放热量(太赫兹和红外转换)，最终被红外探测器捕获。这是一种实时的非制冷太赫兹成像系统，且具有偏振敏感的特点。图 7(b)进一步给出了一种基于180 nm-CMOS工艺的设计方案[66]。其结构由太赫兹超材料吸波器和硅pn二极管组成，设计工作频率为2.52 THz，工作原理是：太赫兹吸波器吸收能量后温度升高，由此导致pn二极管的输出电压发生变化，通过监测电压可以测量入射的太赫兹辐射强度。成像传感器的面积为1.5 mm×1.5 mm，单像素尺寸为30 μm。研究表明，这是一种室温下工作的实时成像装置，最高探测灵敏度可以达到684 V/W。
图 8为基于太赫兹可重构超表面的成像机制。如图 8(a)所示，采用8×8可重构超表面阵列构筑了太赫兹空间光调制器，其中每个像素均为动态可调的太赫兹超表面吸波器，其吸波性质(包含高吸收和低吸收两种状态)可以通过偏置电压进行实时、独立调控[20]。阵列的吸波状态分布(取决于偏置电压分布)可通过FPGA进行控制。太赫兹波束透过待成像目标后入射到超材料空间光调制器上，经部分吸收(波束调制)后反射到单像素探测器(液氦冷却的Si热辐射计)进行太赫兹辐射强度探测；改变空间光调制器的图案，重复上述实验；基于压缩感知技术重构图像，即可进行快速成像。上述成像系统的工作频率约为3.0 THz，偏置电压为15 V，超表面空间光调制器的面积为4.8 mm2，采样一次耗时22.4 ms。结果表明，采样64次已经可以得到较好的成像效果，此时耗时1.43 s，这种成像方法无需移动平台且成像速度更快，因此具有很好的应用前景。
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图 8 太赫兹可重构超表面成像示意图(a)基于幅度可重构超表面的成像系统[20]；(b)基于可重构超表面的纯相位全息成像系统示意图[55]；(c)超表面单元相位梯度分布；(d)用于字母“C”全息成像的超表面图案Fig. 8 Schematic diagrams of terahertz metasurface imaging systems(a)imaging system based on amplitude-reconfigurable metasurface[20]; (b)schematic diagram of the pure-phase-hologram imaging system based on reconfigurable metasurface[55]; (c)phase-gradient distribution of metasurface elements; (d)metasurface pattern for hologram of letter "C" |
基于太赫兹可重构超表面的纯相位全息成像示意图如图 8(b)所示[55]。超表面所采用的材料为硅片，泵浦光束经场分布调制后入射到Si片表面，诱导表面载流子变化并形成超表面图案。图 8(c)，(d)分别是超表面单元相位分布梯度(覆盖2π范围)和用于字母“C”全息成像的超表面图案。通过实时改变Si片表面的超表面图案，可以实现纯相位动态全息。
2.2.4 基于太赫兹现场可编程超表面的成像技术太赫兹现场可编程超表面成像系统如图 9所示[67]。超表面单元由生长在Si衬底上的石墨烯薄膜构成，两层石墨烯采用高密度聚乙烯层(HDPE)隔离，并分别施加偏置电压调节其化学势，进而调控其表面电导率。因此，超表面单元具有4种不同的相位响应，对应图中的4种数字编码态，是一种2-bit编码超表面。编码序列可通过FPGA进行实时控制，因此超表面的相位分布可实时重构，即太赫兹波束聚焦点的空间位置可调，这可以应用于太赫兹波束扫描和成像中。当然，对于上述的二维可编程超表面，控制电路非常复杂，工艺难度高。
太赫兹超材料和超表面因其重要的物理性质及其在无线通信、传感和成像等方面的应用吸引越来越多的研究兴趣。其发展趋势主要包括以下两个方面：
(1) 太赫兹可重构超材料和信息超材料将得到越来越多的重视。可重构超材料和信息超材料具有更丰富的功能，可以更自由地操控太赫兹波束，尤其是信息超材料将超材料技术与信息技术相融合，有利于实现超材料的智能化。北京大学李廉林教授团队设计了具有机器学习功能的可编程超表面成像仪，可以优化数据采集和处理过程、提高成像效率，实现实时成像和成像过程的智能化[68]。目前的工作频率约为3 GHz，可以进一步向太赫兹频率拓展。
(2) 基于太赫兹信息超材料的太赫兹无线通信系统和太赫兹成像系统具有很好的发展前景。信息超材料可以实现太赫兹波束的灵活、实时操控，应用于太赫兹无线通信，可以直接将携带数字信息的波束辐射到远场而无需载波；应用于成像系统，则可以进行单传感器、不扫描成像和动态全息成像。因此，作为核心模块的二维现场可编程超表面是需要突破的关键技术。
综上，本文从基本原理和成像应用两个方面介绍了太赫兹超材料和超表面的研究进展。太赫兹超材料功能器件(如超透镜、吸波器、极化转换器等)、可调谐与可重构超材料以及信息超材料是太赫兹超材料领域的研究重点，相关的物理原理及其在成像应用被广泛报道。超材料与功能材料的融合，使得超材料的功能更丰富、可以更自由地操控电磁波。另外，随着信息超材料概念的提出，超材料进一步与信息技术(如软件技术、人工智能技术)相融合，因此开发智能化的超材料系统，实现超材料的自主学习、功能自适应将成为可能。
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