撰稿|由课题组供稿
近日，美国东北大学刘咏民教授与南京大学彭茹雯教授和王牧教授研究组合作将多功能超构表面与生物拟态伪装的概念相结合，利用多重自由度精心构造超构表面，提出并实验实现了彩色全息拟态伪装等新奇现象。该研究成果以“Realizing Colorful Holographic Mimicry by Metasurfaces”为题最近在线发表于国际著名期刊《Advanced Materials》，该文章的链接是：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005864。该工作为微纳光子学和仿生学结合的跨学科研究提供了新思路，在光学信息加密、多功能光学器件、增强现实和军事伪装等领域具有应用前景。
伪装通常表现为动物主动适应环境变化并隐藏在周围环境中的行为，这种行为能够保护动物不被掠食者的视觉所察觉，从而避免被捕食的结果。在自然界中，动物伪装主要有以下两种形式：一种被称为保护色（crypsis），另一种被称为拟态伪装（mimicry）。保护色是指动物通过改变自身颜色或利用阴影，从而实现隐藏在环境中的目的。而拟态伪装则相对更为复杂，它通常要求动物能够在形貌上模仿另一个物体甚至是另一个物种，从而保护自己免受捕食者的伤害。随着人们对于保护色原理的深入理解，保护色的概念很快被引入到等离激元器件领域，其中最典型的应用是热红外伪装；但是对于另外一种形式的伪装，即拟态伪装的研究还有待探索。
该研究团队创新性地提出将多功能超构表面与生物拟态伪装的概念相结合，实验实现了彩色全息拟态伪装等效应。如图1所示，当超构表面工作在空气中时，它显示出的全息图形为一只鸟；而当超构表面被浸没在液体中时，全息图形则自动转变为一条鱼的模样。在全息图形变换前后，超构表面上的亚波长微纳结构及其排布状态均不发生任何变化。为了实现这一效应，研究团队创新性地提出了一种动态设计方案，即相位矩阵变换法，用以构建超构表面上的结构单元分布，其基本的设计原理如图2a所示。针对该原理，又设计和制备了一种特殊的耦合谐振天线作为结构单元，它能够在不同的环境中激发不同的共振模式，从而产生特定的相位响应，如图2b - 2d所示。随后，该研究团队利用标准电子束光刻工艺制备了基于上述设计方案的全息拟态伪装样品。图3给出了不同环境下样品的的模拟计算和实验测量的结果：该结果与理论设计高度吻合，证明了全息拟态伪装的现象在实验上被证实。
在此基础上，该研究团队继续改进了耦合谐振单元的设计，以使其支持更多的共振模式，从而进一步将波长的自由度引入该全息拟态伪装超构表面的设计。基于该设计方案，彩色全息拟态伪装器件也在实验上被进一步证实。在不同的环境和入射波长条件下，超构表面将分别显示特定的全息图像，如图4所示。由于这种设计具有完全独立的相位调制，因此不同全息图像之间的相位串扰可以被极大地抑制，从而额外散射图像的出现可以被避免，使得器件的工作效率得到显著提高。因此，该论文报道的全息显示器件将更加具有实际应用价值。
图1. 单波长全息拟态伪装超构表面的示意图。
图2. 相位矩阵变换的原理示意图和相关计算结果。
图3. 单波长全息拟态伪装样品的理论结果和实验验证。
图4. 同一超构表面在不同环境和不同波长下展示出四种完全独立的彩色全息图形。
该研究团队将多功能超构表面与生物拟态伪装的概念相结合，利用多重自由度精心构造超构表面，提出并实验实现了彩色全息拟态伪装等效应，为微纳光子学与仿生学结合的跨学科研究开辟新的途径；同时在光学信息加密、多功能光学器件、增强现实和军事伪装等领域具有应用前景。
此项工作主要由南京大学物理学院2016级博士生熊波完成，他在超构表面设计、样品微加工制备和光学表征等方面做出了重要贡献，南大物理学院博士生王嘉楠和美国东北大学博士生Yihao Xu，Lin Deng，Feng Cheng以及华东师范大学李林研究员也参与了该工作，彭茹雯教授、王牧教授和刘咏民教授是该论文的通讯作者。该项研究在美国和中国都受到研究资助。
“Realizing Colorful Holographic Mimicry by Metasurfaces”
Bo Xiong, Yihao Xu, Jianan Wang, Lin Li, Lin Deng, Feng Cheng, Ru-Wen Peng*, Mu Wang*, and Yongmin Liu *
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005864
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