超材料能够在亚波长尺度上精调控光与物质的相互作用，从而允许我们实现麦克斯韦方程组中的全范围电磁响应。在过去的二十年中，这些显著的特征推动了基础超材料的研究，而这反过来又揭示了一系列重要的潜在应用。利用超材料能够实现任意、特定和可调的散射响应的能力，基于超材料的光学成像已经成为现代光学一个极具前景的研究领域。
鉴于此，来自美国杜克大学的Willie J. Padilla教授和加州圣地亚哥分校的Richard D. Averitt教授在国际著名期刊Nature Reviews Physics上以Imaging with metamaterials为题发表综述文章，集中回顾了超材料和超表面对从微波到光学频率成像科学和技术的影响，并重点分析了基于超材料的成像组件和受益于这些进展的相关成像模式，并展望了超材料成像未来发展的趋势。
图1. 超材料和超表面成像方法和跨越电磁频谱的应用。
图源：https://doi.org/10.1038/s42254-021-00394-3
从负折射率、完美透镜和超透镜的实现，超材料已经展现出了从医学到量子信息等多方面的应用潜力。超材料的巨大潜力可以影响现代成像系统从光源到探测器的各个功能方面，尤其是成像组件，包括透镜、偏振光学器件、滤波器和调制器等核心成像元件。此外，超材料可以定制为在从射频（RF）到可见光的波长范围内工作，增强传统成像模式，同时也支持如编码孔径成像和动态全息等最先进的成像技术。
超材料的出现始于几何定义的亚波长谐振器可以独立响应电场或磁场的认识。谐振器是有效的“人造原子”，可以组装成宏观二维或三维周期阵列，为调控光与物质的相互作用提供了几乎无限的可能性。根据具有明确定义的频率相关介电常数和磁导率张量的有效介质描述合成的电磁响应，有助于超材料作为具有独特性质（如负折射率）的真正光学材料的概念发展。
此外，计算技术的进步使常规原型设计成为可能，从而推动了具有单位细胞特异性的元件的迭代设计优化。超材料的早期成果包括由数千个独特的单位细胞组成的平面透镜和电磁隐身演示。超材料（如金属裂环谐振器或电介质谐振器）的可调架构意味着新的材料集成策略可用于生产动态和可调谐超材料元件，以创建调制器和大量其他与成像相关的按需光学组件。
超材料的进步为构建静态和动态成像组件提供了全新的工具和概念。如图1所示，超材料固有的近似尺度不变性使得这些工具、概念和组件在整个电磁频谱中具有广泛的适用性。鉴于每个光谱范围都有独特的需求、挑战和应用，这推动了频率特定超材料创新，以改进现有成像模式，或利用技术基础设施实现新的成像方法。
如图1所示，文章重点介绍这个领域中的几个典型例子。例如，正在开发射频超材料以提高磁共振成像（MRI）的速度和分辨率。在微波范围内，现有元件的巨大库和超材料的相对容易制造推动了基于编码孔径成像和压缩传感的应用（图1b）。基于超材料组件的太赫兹（THz）辐射成像可以用于进行化学鉴定的高分辨率成像（图1c）。在中红外（IR）波段下，超材料设备可实现编码孔径单像素成像，从而以大幅降低的成本实现更快的热成像（图1d）。在近红外波段，超材料全息图已经被证明是一条可行的路径。在可见频率下，超材料也产生了影响，例如致密金属（图1e）。
成像目标
成像系统的目标由一个连续的“目标”场组成，其中包含大量信息—光度、反射率、透射率、偏振、光谱密度、散射强度和三维空间信息。此外，对象的状态可以在空间、光谱和时间维度中编码。然而，人们通常只对高维连续目标场的子空间感兴趣。例如，普通成像系统通常仅获取从三维对象投影的二维图像。
超材料可以用来形成理想物体，具有实现复杂和精确电磁特性的能力，这对于成像系统的表征非常有用。由于超材料是在单位单元级别形成的复合材料，因此可以将越来越复杂的层次构建到对象中，同时简化或消除其他不感兴趣的属性。例如，过去的工作已经表明能够实现特定的透射、反射和吸收散射状态。超材料的单胞性质也意味着散射特性可以随空间位置的变化而变化。
图2. 电磁超材料设计中使用的亚波长元件示例。
图源：https://doi.org/10.1038/s42254-021-00394-3
此外，超材料可以具有动态特性，因此可以将时间添加到可以控制的维度列表中。由于超材料的电磁响应由其几何结构决定，散射状态可能很容易在大部分电磁频谱中进行缩放。事实上，已经有许多关于散射的空间、时间和频率依赖性的证明。超材料实现可调节多维散射特性的能力使其成为测试成像系统的空间、频率、时间、极化和其他特性的理想和多功能对象。
将超材料用作成像对象的最早例子之一是图案化红外吸收体。超材料吸收体的形状是在基底平面上形成字母，而该区域的其余部分由连续的金属膜组成。在工作波长处，图案区域强烈吸收，但在工作波长之外，超材料的吸收接近于零。超材料用波长为 6μm和10 μm的高光谱红外成像仪成像，从而证明超材料物体具有特定的吸收率依赖性。此后，已经有几项工作使用超材料微机电系统、基于石墨烯的吸收体和等离子体结构来创建红外和光学波长的空间图案物体。
超材料也被用来制作衍射全息图，可以用作成像系统中的物体。早期的工作使用了不同长度的金属亚波长谐振器，并展示了在红外波长下工作的相位全息图。随后进行了其他演示，展示了额外的全息图功能，如多色、全色二维和三维以及可重构性。
空间光调制器
空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM）通过创建二维灯光图案来控制灯光。虽然它们在可见光和短波红外波长下可在市场上买到，但长波的空间光调制器基本上不存在。此外，商用空间光调制器主要基于数字镜设备或工作在透射或反射中的液晶系统。这限制了偏振、波长、带宽、振幅调制和调制速度的操作控制。
超材料制成的空间光调制器克服了这些限制，并能够精确定制功能响应。这包括空间、时间和频率可变特性，包括相位、振幅、极化、调制指数、速度和动态范围。超材料空间光调制器由单个或成组的单元单元阵列组成，每个单元都可以通过外部刺激进行修改，包括光子、电子和热控制。超材料增强空间光调制器的早期实现是在太赫兹频率下，由一个4 × 4像素裂环谐振器阵列。每个像素在半绝缘GaAs衬底上生长的外延n掺杂GaAs上包含2500个超材料单元，允许每个像素对反射的太赫兹辐射进行全电子控制。
图3. 用于成像的超材料空间光调制器和表面波孔径示例。
图源：https://doi.org/10.1038/s42254-021-00394-3
超材料空间光调制器能够设计非同构成像系统，特别是编码孔径成像。取而代之的是焦平面阵列，在物体后面放置一个空间光调制器，然后是一个单像素探测器。因此，空间光调制器之后的光学组件在非成像模式中操作，主要目的是收集从空间光调制器发出的所有光。对于这些单像素成像系统，空间光调制器是关键的技术组件，而超材料的应用大大扩展了它们的用途。
单像素太赫兹成像是用8 × 8像素超材料空间光调制器。作者使用一种基于吸收体的超材料单元，在反射配置下运行，制作了一种全电子、可重构、偏振敏感的空间光调制器。电子可寻址超材料空间光调制器提供的一个关键特性是能够为每个像素编码任意幅度和相位调制。这是通过使用二进制相移编码实现的，并允许对需要[+1，-1] 矩阵元素，而不是收集两个[0,1]掩码并减去它们。
单像素阿达玛和单像素压缩低噪声高保真多重成像均采用低功率太赫兹源。超材料空间光调制器还允许更高级的编码孔径状态，包括正交振幅调制单像素成像和频分复用单像素成像。
超材料空间光调制器的另一个优点是，它们可以利用二维电子气（2DEG）材料，如石墨烯和金属二卤化物，以实现其动态功能。因此，极高速调制是可能的，并且已经证明了调制速度为2.6 GHz和7.2 GHz极高速调制。如图3a所示，用石墨烯基超材料已经实现了热红外范围内的1 × 8像素空间光调制器。
展望
到目前为止，大多数研究都集中在单个成像组件或概念验证成像模式上，并且仍然有机会演示基于超材料的完整成像系统。因此，未来发展的一个重要领域将是实现超材料设计全部好处的成像系统。例如，由于缺乏廉价的高性能像素，在较长波长下成像是困难的，并且基于焦平面阵列的传统成像系统不可能构建和操作。
由于超材料设计范式允许对带宽、偏振、空间、波长、时间依赖性和其他能力进行裁剪，以便容易地将其纳入空间光调制器中，因此替代成像模式是可能的。这一领域正在进行的研究可能会提高长波超材料成像的实用性，将在影响非侵入性癌症筛查和检测、红外热成像和其他医学成像场景产生重要影响。
图4. 超材料探测器。
图源：https://doi.org/10.1038/s42254-021-00394-3
面向未来，超材料将在跨电磁频谱推进成像系统方面发挥重要作用。未来研究的一个重要领域是基于超材料的可调谐成像组件和系统。由于超材料是复合材料，半导体或相变材料的加入允许修改电磁响应，这使得可以使用光子、电子、磁、声学或热控制进行按需调谐。此外，材料科学的快速发展将拓宽动态成像元件在特定材料和现象学方面的可能性。例如，超材料与超薄二维材料（包括石墨烯和过渡金属二卤化物）的集成为成像科学和技术提供了丰富的机会。在这个方向上继续研究可能会在高光谱和偏振模式、全息成像和投影等方面产生能够进行多功能操作的自适应成像仪。
参考文献：
Padilla, W.J., Averitt, R.D. Imaging with metamaterials. Nat Rev Phys (2021).
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00394-3
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