超構表面因其獨特的亞波長光場調控能力，極大地促進了紅外系統的小型化與集成化。然而，傳統靜態超構表面的功能固定，限制了其動態應用。為此，可調諧超構表面應運而生，其通過動態調控機制實現了功能可重構，在紅外探測與成像等領域展現出巨大的應用潛力。
據麥姆斯咨詢報道，由上海航天控制技術研究所、北京理工大學和華中科技大學組成的科研團隊聚焦于新興的紅外探測成像領域，系統綜述了可調諧超構表面在動態光場調控方面的最新關鍵研究進展，概述了其在光束偏轉與掃描、動態變焦成像系統、多維光場信息的獲取與調控，以及紅外隱身技術等前沿應用中的突破性成果。在此基礎上，進一步分析了可調諧超構表面當前面臨的主要技術挑戰，并展望了其在推動下一代高性能、智能化、多功能紅外探測成像系統發展中的未來研究方向及廣闊應用前景。相關研究內容以“可調諧超構表面在紅外探測成像中的研究進展”為題發表在《飛控與探測》期刊上。
可調諧超構表面的調控原理
傳統折反式紅外光學元件在遠大于工作波長的距離上對波前進行整形和調控，如透鏡等元件，其利用面型和材料特性（如折射率等）通過光程的累積來改變電磁波的相位，使得電磁波的傳播方向產生偏轉。當平面電磁波傳播至兩種折射率不同的均勻介質交界面時，會在第一種介質中發生反射現象，在第二種介質中發生折射現象，其中反射系數和透射系數及光束傳播方向受到界面上電磁場分量連續性的制約，并分別由菲涅耳方程和斯涅耳定律規定。
圖1 廣義斯涅耳定律的示意圖
由于天然材料的介電常數和磁導率受限，現有的傳統光學透鏡尺寸通常較大。通過在界面處添加一個超薄的亞波長諧振器陣列，即超構表面，可以引入相位突變的方式調控光的波前，從而實現光場的異常反射與異常折射，甚至是光場的任意調控。根據電磁波和超構原子相互作用的效應，超構表面分為兩大類。首先是共振型超構表面，包括等離子體共振型、間隙等離子體共振型和電介質共振型超構表面。另一種是非共振型，包括幾何相位型超構表面和傳輸相位型超構表面。
根據調控機制的不同，可調諧超構表面主要分為幾類：1）基于功能活性材料的可調諧超構表面，如集成液晶、相變材料、石墨烯等，通過材料本身的物理或者化學性質變化實現調控；2）基于機械變形的可調諧超構表面，如結合微機電系統、彈性基底等，通過結構幾何參數的物理變化實現調控；3）基于外場調控的可調諧超構表面，如電場、磁場、熱場、光場等外部激勵下的相應變化。這些調控機制使超構表面能夠實現對光學響應的動態、快速甚至是實時的重構，從而在時域上擴展了超構表面的功能維度。
可調諧超構表面在光束偏轉中的應用
傳統基于機械裝置的光束偏轉系統存在著結構復雜、精度低、體積大、能耗高等不足。新型的電光光束偏轉元件可以通過波前相位控制來實現光束的電控掃描，其具有體積小、質量輕、功耗低、可控性好等優點。近年來，研究人員設計了能夠以瞬態方式隨意改變入射光光學特性的可調諧超構表面，然而在光學頻率范圍內實現可以二維光束掃描的超構表面像素陣列仍然具有挑戰性。
圖2 超構表面光束偏轉
相變材料長期以來一直是固態光學活性介質工具的一部分，它們通過電學、熱學或光學方法在非晶相和晶相之間進行快速可逆切換，從而實現折射率控制。鍺銻碲（GeSbTe，GST）等非易失性相變材料已經實現了存儲器件的雙穩態工作，具有納秒級的切換時間和數十億次循環壽命。為了清晰地對比上述前沿工作的技術特點與性能，可調諧超構表面在光束偏轉中的應用總結如表1所示。
表1 可調諧超構表面在光束偏轉應用中的技術方案對比
可調諧超構表面在變焦系統中的應用
與傳統折射變焦透鏡相比，超構透鏡組理論上可以在不影響光學系統緊湊性的情況下實現從-∞到∞變焦，然而大多數可調諧或可重構超構透鏡受限于色差，只能在窄帶范圍內工作。不同的相變材料在相變速度、相變溫度、穩定性等方面表現出不同的性質。這里提出了一種由熱控相變材料制成的多焦點可調諧超構透鏡的設計方法。超構表面溫度調控機制對于溫度敏感的材料而言，在特殊場景下具有特有的調控優勢。對于非存儲類的高速切換應用，易失性相變材料二氧化釩（VO?）常被用于調諧等離激元納米結構的共振響應。
圖3 基于可調諧超構表面的紅外變焦系統
基于相變材料的可調諧超構表面需要通過加熱或電激勵實現相變過程，這一過程往往伴隨著較高的能耗和較慢的切換速度，同時可能會存在熱擴散和溫度梯度帶來的額外延遲。MEMS器件主要通過機械運動來實現結構參數的改變，整體調控過程中能耗較低，并且無需進行耗能的加熱過程。此外，微機械結構的運動響應速度通常較快，能夠實現亞毫秒甚至微秒級別的響應。
現有的可調諧變焦超構透鏡通常需要借助無法擴展到大面積器件的MEMS或者依賴高電壓來拉伸柔性襯底以實現足夠的調諧范圍。為了清晰地對比技術方案與特點，可調諧超構表面在變焦系統中的應用總結如表2所示。
表2 可調諧超構表面在變焦系統應用中的技術方案對比
可調諧超構表面在多維光場調控中的應用
多維調控紅外輻射的超構器件可以克服單維調制的局限性，獲得更加靈活多樣的輻射特性，充分發揮光場操縱的潛力，為實現高性能和多功能的創新應用開辟了全新的可能性。可調諧超構表面為多維光場調控引入了動態可重構性，允許通過外部激勵實時地改變超構表面的光學響應，從而靈活切換或連續調整對光波幅度、相位、偏振、頻率或空間模式等多個維度的操控方式，顯著提升了光場按需定制和自適應調控的能力。
氧化釩微測輻射熱計使得在中紅外光譜范圍構建高性能、低成本且無需制冷的成像探測器成為可能。典型的微測輻射熱計是寬帶傳感器，不具備偏振選擇性。因此，基于微測輻射熱計的成像探測器必須使用分離的光譜和偏振濾波器來選擇目標光譜帶和偏振態，這導致最終的系統復雜且笨重。
圖4 可調諧超構表面在多維光場調控中的應用
超構透鏡與紅外探測器的集成結合，通過其小型化、集成化、多功能化的特點，使得在紅外波段高效、同步地獲取多維度光場信息成為可能，極大地拓展了紅外探測與成像技術的應用范圍和能力深度，為緊湊型、高性能、智能化紅外視覺系統的發展開辟了新的道路。基于雙材料微懸臂梁熱形變的光機械非制冷紅外探測器，因其能夠使用可見光譜范圍的元件來測量紅外光，然而與大多數類型的探測器一樣，它們面臨著低填充因子的普遍局限性，導致光能利用效率低下。
傳統的標量光電探測器只能測量光強，而矢量光場包含了包括偏振和光譜在內的更豐富信息，這對于從成像到電信等眾多應用都至關重要。然而，同時測量多維光場信息通常需要復用色散元件或偏振選擇元件，傳統的分振幅式偏振儀和光譜儀利用偏振分束器和色散元件（如棱鏡和光柵）來空間分離和區分具有不同偏振和波長的光，分時式偏振儀和光譜儀利用可調諧的偏振和波長濾波器來順序測量具有不同偏振和光譜分量的光強。通過復用上述用于偏振和光譜探測的機制，能夠同時測量光的偏振和光譜的復合系統，即光譜偏振儀。然而，這種復用不可避免地導致系統尺寸和復雜度的進一步增加，阻礙了它們在小型化平臺上的應用。為了清晰地對比技術方案與特點，可調諧超構表面在多維光場調控中的應用總結如表3所示。
表3 可調諧超構表面在多維光場調控應用中的技術方案對比
可調諧超構表面在紅外隱身中的應用
紅外隱身技術旨在降低軍事目標的熱特征信號，使其更難被紅外探測器探測，對現代軍事工程至關重要。控制目標溫度以降低其紅外輻射強度是一種直接但難以實現的方法。相比之下，調控物體表面的光譜發射率則更為可行，這也是紅外隱身技術中最常用的方法。傳統的紅外隱身材料主要由具有寬譜段低紅外發射率的金屬構成。然而，現代探測技術已發展到包含多波段探測方法；除了大氣窗口的紅外光譜外，激光雷達和可見光探測也被用于提高目標識別能力。傳統紅外隱身材料的缺點是其高反射率，這使得它們在對抗激光制導武器時效果不佳。同時，傳統紅外隱身材料的寬譜段低發射率與通過輻射傳熱進行目標熱管理的需求不兼容。因此，需要在保持輻射傳熱通道的同時，發展先進的多波段紅外隱身技術。
動態紅外熱隱身技術因其能夠通過調節熱輻射在各種環境背景中熱隱目標而受到廣泛關注。現有的使用相變材料的解決方案在實際應用中仍面臨一些挑戰，如溫度均勻性、成玻璃化實現以及對不同環境的適應性。
圖5 基于可調諧超構表面的紅外隱身系統
用于可切換熱輻射的相變型超構表面對紅外隱身和多場景熱管理應用具有重要意義。然而，上述基于GST的超構表面分別面臨著金屬態本征損耗相對較低和穩定性較弱的問題。雖然石墨烯具有多種有利于可調中紅外等離子體結構發展的獨特性質，但它需要高電壓才能實現超構表面調諧，并且制備無缺陷、大面積的石墨烯仍然是一個巨大的挑戰。Ⅲ-Ⅴ族半導體因其在中紅外到遠紅外范圍內較大的折射率可調性而被廣泛研究用于電動態可調超構表面。為了清晰地對比技術特點與性能，可調諧超構表面在紅外隱身中的應用總結如表4所示。
表4 可調諧超構表面在紅外隱身應用中的技術方案對比
總結與展望
本文系統性地回顧了可調諧超構表面技術在紅外探測與成像這一前沿領域所取得的研究成果，并梳理了可調諧超構表面在紅外光束偏轉、變焦系統、多維光場調控與紅外隱身4個方面的最新應用進展，深入剖析了其關鍵的動態調控機理與多樣化的實現路徑。這些應用共同揭示了可調諧超構表面在推動紅外系統向小型化、集成化、智能化和多功能化方向發展的革命性作用。
展望未來，可調諧超構表面在紅外領域的發展將高度依賴于材料科學、信息科學、制造工藝以及應用需求的深度融合。研究重點正從單一材料轉向多元化的功能材料體系，如相變材料、液晶、二維材料及電光聚合物等，探索具備優異光、電、熱、力響應特性的新型功能材料，并開發更為高效、靈活的多物理場協同調控機制。借鑒超構表面逆向設計領域的經驗，引入并優化智能設計算法與深度學習模型，以期實現從目標功能到器件結構的快速、精準預測和“按需定制”，同時降低對海量先驗數據和計算資源的依賴。突破性的先進制造技術，如納米壓印、多光子聚合、自組裝等，有望為復雜動態超構表面的規模化制備提供可行路徑。最終，通過解決上述挑戰，并結合特定應用場景，進行系統級優化，可調諧超構表面技術有望在下一代紅外探測與成像系統中扮演核心角色，引領相關技術實現跨越式發展，并在國防安全、智能感知、生物醫療及深空探測等領域催生更多創新應用。
論文鏈接：
DOI: 10.20249/j.cnki.2096-5974.2026.01.007
