超表面综述：物理与应用

超材料由周期性亚波长金属/介电结构组成，这些结构与入射电磁场的电分量和/或磁分量发生共振耦合，展现出自然界中不存在的特性。具有亚波长厚度的平面超材料，即超表面，由单层或少层平面结构堆叠而成，可利用光刻和纳米印刷方法轻松制备，且沿波传播方向的超薄厚度可极大抑制不期望的损耗。超表面能够实现空间变化的光学响应，将光波前塑造成可任意设计的形状，并便于集成功能材料以实现主动控制和极大增强的非线性响应。本文回顾了工作波长范围从微波到可见光的超表面物理的最新进展。我们概述了异常反射与异常折射等关键超表面概念，介绍了基于 Pancharatnam-Berry 相位和惠更斯超表面的超表面，以及它们在波前整形和波束形成中的应用，随后讨论了少层超表面中的偏振转换及其相关特性。对介电超表面的概述揭示了其结合 Mie 共振实现独特功能的能力及其低欧姆损耗。我们还描述了用于波导和辐射控制以及有源和非线性超表面的超表面。最后，我们对这一快速发展研究领域中的机遇与挑战提出了自己的看法。