可调谐超构表面在红外探测成像中的研究进展

超构表面因其独特的亚波长光场调控能力，极大地促进了红外系统的小型化与集成化。然而，传统静态超构表面的功能固定，限制了其动态应用。为此，可调谐超构表面应运而生，其通过动态调控机制实现了功能可重构，在红外探测与成像等领域展现出巨大的应用潜力。

由上海航天控制技术研究所、北京理工大学和华中科技大学组成的科研团队聚焦于新兴的红外探测成像领域，系统综述了可调谐超构表面在动态光场调控方面的最新关键研究进展，概述了其在光束偏转与扫描、动态变焦成像系统、多维光场信息的获取与调控，以及红外隐身技术等前沿应用中的突破性成果。在此基础上，进一步分析了可调谐超构表面当前面临的主要技术挑战，并展望了其在推动下一代高性能、智能化、多功能红外探测成像系统发展中的未来研究方向及广阔应用前景。相关研究内容以“可调谐超构表面在红外探测成像中的研究进展”为题发表在《飞控与探测》期刊上。

可调谐超构表面的调控原理

传统折反式红外光学元件在远大于工作波长的距离上对波前进行整形和调控，如透镜等元件，其利用面型和材料特性（如折射率等）通过光程的累积来改变电磁波的相位，使得电磁波的传播方向产生偏转。当平面电磁波传播至两种折射率不同的均匀介质交界面时，会在第一种介质中发生反射现象，在第二种介质中发生折射现象，其中反射系数和透射系数及光束传播方向受到界面上电磁场分量连续性的制约，并分别由菲涅耳方程和斯涅耳定律规定。

图1 广义斯涅耳定律的示意图

由于天然材料的介电常数和磁导率受限，现有的传统光学透镜尺寸通常较大。通过在界面处添加一个超薄的亚波长谐振器阵列，即超构表面，可以引入相位突变的方式调控光的波前，从而实现光场的异常反射与异常折射，甚至是光场的任意调控。根据电磁波和超构原子相互作用的效应，超构表面分为两大类。首先是共振型超构表面，包括等离子体共振型、间隙等离子体共振型和电介质共振型超构表面。另一种是非共振型，包括几何相位型超构表面和传输相位型超构表面。

根据调控机制的不同，可调谐超构表面主要分为几类：1）基于功能活性材料的可调谐超构表面，如集成液晶、相变材料、石墨烯等，通过材料本身的物理或者化学性质变化实现调控；2）基于机械变形的可调谐超构表面，如结合微机电系统、弹性基底等，通过结构几何参数的物理变化实现调控；3）基于外场调控的可调谐超构表面，如电场、磁场、热场、光场等外部激励下的相应变化。这些调控机制使超构表面能够实现对光学响应的动态、快速甚至是实时的重构，从而在时域上扩展了超构表面的功能维度。

可调谐超构表面在光束偏转中的应用

传统基于机械装置的光束偏转系统存在着结构复杂、精度低、体积大、能耗高等不足。新型的电光光束偏转元件可以通过波前相位控制来实现光束的电控扫描，其具有体积小、质量轻、功耗低、可控性好等优点。近年来，研究人员设计了能够以瞬态方式随意改变入射光光学特性的可调谐超构表面，然而在光学频率范围内实现可以二维光束扫描的超构表面像素阵列仍然具有挑战性。

图2 超构表面光束偏转

相变材料长期以来一直是固态光学活性介质工具的一部分，它们通过电学、热学或光学方法在非晶相和晶相之间进行快速可逆切换，从而实现折射率控制。锗锑碲（GeSbTe，GST）等非易失性相变材料已经实现了存储器件的双稳态工作，具有纳秒级的切换时间和数十亿次循环寿命。为了清晰地对比上述前沿工作的技术特点与性能，可调谐超构表面在光束偏转中的应用总结如表1所示。

表1 可调谐超构表面在光束偏转应用中的技术方案对比

可调谐超构表面在变焦系统中的应用

与传统折射变焦透镜相比，超构透镜组理论上可以在不影响光学系统紧凑性的情况下实现从-∞到∞变焦，然而大多数可调谐或可重构超构透镜受限于色差，只能在窄带范围内工作。不同的相变材料在相变速度、相变温度、稳定性等方面表现出不同的性质。这里提出了一种由热控相变材料制成的多焦点可调谐超构透镜的设计方法。超构表面温度调控机制对于温度敏感的材料而言，在特殊场景下具有特有的调控优势。对于非存储类的高速切换应用，易失性相变材料二氧化钒（VO₂）常被用于调谐等离激元纳米结构的共振响应。

图3 基于可调谐超构表面的红外变焦系统

基于相变材料的可调谐超构表面需要通过加热或电激励实现相变过程，这一过程往往伴随着较高的能耗和较慢的切换速度，同时可能会存在热扩散和温度梯度带来的额外延迟。MEMS器件主要通过机械运动来实现结构参数的改变，整体调控过程中能耗较低，并且无需进行耗能的加热过程。此外，微机械结构的运动响应速度通常较快，能够实现亚毫秒甚至微秒级别的响应。

现有的可调谐变焦超构透镜通常需要借助无法扩展到大面积器件的MEMS或者依赖高电压来拉伸柔性衬底以实现足够的调谐范围。为了清晰地对比技术方案与特点，可调谐超构表面在变焦系统中的应用总结如表2所示。

表2 可调谐超构表面在变焦系统应用中的技术方案对比

可调谐超构表面在多维光场调控中的应用

多维调控红外辐射的超构器件可以克服单维调制的局限性，获得更加灵活多样的辐射特性，充分发挥光场操纵的潜力，为实现高性能和多功能的创新应用开辟了全新的可能性。可调谐超构表面为多维光场调控引入了动态可重构性，允许通过外部激励实时地改变超构表面的光学响应，从而灵活切换或连续调整对光波幅度、相位、偏振、频率或空间模式等多个维度的操控方式，显著提升了光场按需定制和自适应调控的能力。

氧化钒微测辐射热计使得在中红外光谱范围构建高性能、低成本且无需制冷的成像探测器成为可能。典型的微测辐射热计是宽带传感器，不具备偏振选择性。因此，基于微测辐射热计的成像探测器必须使用分离的光谱和偏振滤波器来选择目标光谱带和偏振态，这导致最终的系统复杂且笨重。

图4 可调谐超构表面在多维光场调控中的应用

超构透镜与红外探测器的集成结合，通过其小型化、集成化、多功能化的特点，使得在红外波段高效、同步地获取多维度光场信息成为可能，极大地拓展了红外探测与成像技术的应用范围和能力深度，为紧凑型、高性能、智能化红外视觉系统的发展开辟了新的道路。基于双材料微悬臂梁热形变的光机械非制冷红外探测器，因其能够使用可见光谱范围的元件来测量红外光，然而与大多数类型的探测器一样，它们面临着低填充因子的普遍局限性，导致光能利用效率低下。

传统的标量光电探测器只能测量光强，而矢量光场包含了包括偏振和光谱在内的更丰富信息，这对于从成像到电信等众多应用都至关重要。然而，同时测量多维光场信息通常需要复用色散元件或偏振选择元件，传统的分振幅式偏振仪和光谱仪利用偏振分束器和色散元件（如棱镜和光栅）来空间分离和区分具有不同偏振和波长的光，分时式偏振仪和光谱仪利用可调谐的偏振和波长滤波器来顺序测量具有不同偏振和光谱分量的光强。通过复用上述用于偏振和光谱探测的机制，能够同时测量光的偏振和光谱的复合系统，即光谱偏振仪。然而，这种复用不可避免地导致系统尺寸和复杂度的进一步增加，阻碍了它们在小型化平台上的应用。为了清晰地对比技术方案与特点，可调谐超构表面在多维光场调控中的应用总结如表3所示。

表3 可调谐超构表面在多维光场调控应用中的技术方案对比

可调谐超构表面在红外隐身中的应用

红外隐身技术旨在降低军事目标的热特征信号，使其更难被红外探测器探测，对现代军事工程至关重要。控制目标温度以降低其红外辐射强度是一种直接但难以实现的方法。相比之下，调控物体表面的光谱发射率则更为可行，这也是红外隐身技术中最常用的方法。传统的红外隐身材料主要由具有宽谱段低红外发射率的金属构成。然而，现代探测技术已发展到包含多波段探测方法；除了大气窗口的红外光谱外，激光雷达和可见光探测也被用于提高目标识别能力。传统红外隐身材料的缺点是其高反射率，这使得它们在对抗激光制导武器时效果不佳。同时，传统红外隐身材料的宽谱段低发射率与通过辐射传热进行目标热管理的需求不兼容。因此，需要在保持辐射传热通道的同时，发展先进的多波段红外隐身技术。

动态红外热隐身技术因其能够通过调节热辐射在各种环境背景中热隐目标而受到广泛关注。现有的使用相变材料的解决方案在实际应用中仍面临一些挑战，如温度均匀性、成玻璃化实现以及对不同环境的适应性。

图5 基于可调谐超构表面的红外隐身系统

用于可切换热辐射的相变型超构表面对红外隐身和多场景热管理应用具有重要意义。然而，上述基于GST的超构表面分别面临着金属态本征损耗相对较低和稳定性较弱的问题。虽然石墨烯具有多种有利于可调中红外等离子体结构发展的独特性质，但它需要高电压才能实现超构表面调谐，并且制备无缺陷、大面积的石墨烯仍然是一个巨大的挑战。Ⅲ-Ⅴ族半导体因其在中红外到远红外范围内较大的折射率可调性而被广泛研究用于电动态可调超构表面。为了清晰地对比技术特点与性能，可调谐超构表面在红外隐身中的应用总结如表4所示。

表4 可调谐超构表面在红外隐身应用中的技术方案对比

总结与展望

本文系统性地回顾了可调谐超构表面技术在红外探测与成像这一前沿领域所取得的研究成果，并梳理了可调谐超构表面在红外光束偏转、变焦系统、多维光场调控与红外隐身4个方面的最新应用进展，深入剖析了其关键的动态调控机理与多样化的实现路径。这些应用共同揭示了可调谐超构表面在推动红外系统向小型化、集成化、智能化和多功能化方向发展的革命性作用。

展望未来，可调谐超构表面在红外领域的发展将高度依赖于材料科学、信息科学、制造工艺以及应用需求的深度融合。研究重点正从单一材料转向多元化的功能材料体系，如相变材料、液晶、二维材料及电光聚合物等，探索具备优异光、电、热、力响应特性的新型功能材料，并开发更为高效、灵活的多物理场协同调控机制。借鉴超构表面逆向设计领域的经验，引入并优化智能设计算法与深度学习模型，以期实现从目标功能到器件结构的快速、精准预测和“按需定制”，同时降低对海量先验数据和计算资源的依赖。突破性的先进制造技术，如纳米压印、多光子聚合、自组装等，有望为复杂动态超构表面的规模化制备提供可行路径。最终，通过解决上述挑战，并结合特定应用场景，进行系统级优化，可调谐超构表面技术有望在下一代红外探测与成像系统中扮演核心角色，引领相关技术实现跨越式发展，并在国防安全、智能感知、生物医疗及深空探测等领域催生更多创新应用