超構材料（Metamaterials），是電磁學的一個研究領域，它是由亞波長單元周期或非周期排列而組成的人工結構，可以通過設計結構單元及其排布靈活地操控電磁波，帶來全新的物理現(xiàn)象和應用。而超構材料中的亞波長單元（Subwavelength Element）,實質(zhì)是常見的電磁波天線（Electromagnetic Antenna）。例如：Pendry等利用銅質(zhì)開口諧振環(huán)（Split Ring Resonator）的陣列實現(xiàn)了頻率在10GHz附近且具有負等效磁導率的超構材料，而其中的銅質(zhì)開口諧振環(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，所采用的V型金天線（gold V-antennas），則是工作波長為8μm的金屬電磁天線。

天線，是電磁學研究中最為完善、應用也最廣泛的一個概念，它的基本功能就是實現(xiàn)自由空間電磁波與局域電磁場之間的相互轉(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工作波長。例如，常見的半波偶極子天線的長度為工作波長的一半，因此其符合 “亞波長單元”的定義。

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

天線對電磁波的操控能力，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、紅外到可見光的整個電磁波譜。因此，天線和超構材料可以在整個電磁波譜范圍內(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材料，在光頻段則有光學天線和光學超構材料，如圖1(b)~(e)所示。用于構建超構材料的材料，可以是金屬、介質(zhì)或半導體等。而超構材料的運用模式，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”結構的偏振選擇型超構材料紅外吸收體是一種吸收式超構材料，具有調(diào)控電磁波波長和偏振態(tài)的功能；而基于納米介質(zhì)波導陣列的可見光消色差超構材料透鏡，則是一種透射式的超構材料，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 電磁超構材料的工作波長、組成材料、參量調(diào)控功能及運用模式

天線和超構材料的制備方法，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結構的圖案，并結合薄膜生長、金屬剝離、干/濕法刻蝕等工藝形成亞波長結構，就屬于自頂向下的工藝路線。而采用化學合成、自組裝等方式形成亞波長結構，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尺度上精準定義天線的幾何結構及單元陣列的排布方式，并且與激光器、探測器等集成光電器件的流片工藝兼容，也可以實現(xiàn)晶圓級的大規(guī)模制備，因此本文主要關注自頂向下的工藝路線。

超構材料對電磁波的強大操控能力，使其成為了構建各種新型電磁參量調(diào)控元件的基礎。由自頂向下工藝路線帶來的CMOS工藝兼容性，和晶圓級的大規(guī)模制備能力，又使超構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，超構材料集成式光電器件具有更強大的電磁參量分辨與調(diào)控能力，對透鏡、濾光片、偏振片等分立光學元件的依賴程度更低，與之相關的光學系統(tǒng)也更緊湊、更輕巧。

本文將從分析超構材料對電磁波的頻率 (波長)、偏振態(tài)與相位 (波前)等參量的調(diào)控與分辨能力入手，結合紅外探測芯片及成像系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，介紹超構材料與紅外探測芯片結合，在雙色/多色成像、高光譜成像、偏振成像等先進成像模式中的應用，以及國內(nèi)外相關的研究進展。

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與磁場構成的橫波，它是人類獲取外在世界信息的基本途徑之一。比如，人眼可以通過接收可見光頻段（400nm~700nm）的電磁波獲取目標的圖像信息；而紅外探測芯片，則進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（長波紅外）。如圖3(a)所示，在電磁波譜的每一個頻段（如可見光、紅外、太赫茲、微波、射頻等），人們都構建了相應的信息獲取技術。

強度（振幅）、頻率（波長）、偏振態(tài)與相位（波前），是描述電磁波的基本物理參量。振幅描述了電場和磁場的絕對值大小，而強度正比于振幅的平方，表征了電磁波攜帶的功率大小；頻率描述了電場與磁場作周期性振蕩的快慢程度，它與波長成反比；相位描述了電場與磁場在周期振蕩過程中所處的時間進程，而空間中相位相同的點所構成的面，即為波前。圖3(b)顯示了電磁波的兩種常見的波前：平面波前和球面波前。偏振態(tài)則描述了電場矢量與磁場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電磁信息的過程中扮演了重要的角色。例如紅外熱像儀通過物體在特定紅外頻段中輻射的電磁波獲取目標的形貌，其實質(zhì)是獲取電磁波的強度分布圖像。這種圖像來源于電磁波在特定紅外頻段（短波、中波或長波）內(nèi)，對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有區(qū)分電磁波的頻率和偏振態(tài)。然而，來自目標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，這些特征波長是區(qū)分氣體種類的指紋性信息，如圖4所示。而各種固體目標表面的微結構，會使其輻射/反射的電磁波的偏振態(tài)具有相應的特征，這些特征偏振態(tài)是區(qū)分不同目標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

為了進一步挖掘這些信息，需要對頻率和偏振態(tài)進行精確分辨。相應地，雙色/多色成像、高光譜成像、偏振成像等先進成像模式也被發(fā)展起來。以雙色/多色成像為例，通過在兩個（或多個）較窄的紅外頻段分別獲取目標與背景的圖像，并對所獲取的圖像進行數(shù)學運算，可以有效提高圖像的信噪比，并凸顯目標物體的輪廓；而高光譜成像，則是將電磁頻譜進一步劃分為若干更窄的頻帶，并在每一個窄頻帶的中心波長處獲取目標的圖像。這樣獲取的圖像集合，既包含了目標物體輻射的電磁波強度分布，又包含了目標物體每個位置的光譜信息；偏振成像，則是在獲取目標物體輻射的電磁波的強度分布圖的基礎上，進一步獲取電磁波的偏振態(tài)分布圖。通過將強度分布圖與偏振態(tài)分布圖進行比對，可以將輻射強度相近但偏振特性差異較大的物體區(qū)分開來。美國華盛頓大學圣路易斯分校的Viktor Gruev等人于2010年報道了基于像元級集成納米線柵結構的CCD偏振相機。如圖5(a)所示，通過在CCD焦平面探測器的每個像元上集成鋁納米線柵，使得每個像元能夠獨立分辨可見光的偏振態(tài)，再配合相應的讀出電路和圖像處理算法，就可以對目標在可見光波段的輻射強度和偏振態(tài)同時成像。從圖5(b)~圖5(d)可以看出，同樣的探測目標在光強分布圖和偏振態(tài)分布圖上呈現(xiàn)出來的特征是顯著不同的，這就大大增強了探測器對目標的識別能力。

圖5 基于像元級集成納米線柵結構的CCD偏振相機

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，通過在透明襯底上沉積多層膜系結構，可以選擇性地透過某一波長范圍內(nèi)的電磁波，實現(xiàn)濾光功能；而就線柵偏振片而言，通過在襯底上人為加工金屬線柵結構，就可以選擇性地透過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)過透鏡時，在鏡面不同位置處積累不同的相位，進而實現(xiàn)對電磁波波前（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)化為讀出電信號的探測芯片，按照一定的順序組合在一起,就得到了各種光學系統(tǒng)。由于這些分立式的電磁參量調(diào)控元件和探測芯片的功能單一，在實際應用中，光學系統(tǒng)往往要加入為數(shù)眾多的元件才能實現(xiàn)特定的功能，這使得成像系統(tǒng)的結構復雜，體積龐大。如果能實現(xiàn)電磁參量調(diào)控元件與探測芯片的集成化與多功能化，就可以使光學系統(tǒng)更緊湊、更輕巧。