蔡定平：超构器件理论和应用

蔡定平，香港城市大学电机工程系讲座教授，中国光学学会会士，国际电子电机工程学会(IEEE)会士，国际光电工程学会(SPIE)会士，美国光学学会(OSA)会士,美国物理学会(APS)会士，美国科学促进会(AAAS)会士，美国国家发明家科学院(NAI)院士。

与传统器件相比，超构器件利用亚波长尺寸的人造结构，能够在更小的尺寸下，实现对电磁场的有效操控，带来新颖的光学功能，是目前备受研究人员关注的热点研究领域。

超构器件是基于超构表面或超构材料所设计的功能性器件。与超构材料相同，超构表面也是一种由亚波长尺寸的单元组成的人造结构，可以将它看作二维的平面超构材料。传统的光学器件往往需要通过光在介质中传播的方式去积累相位，最终实现对光的波前操纵。而由亚波长结构组成的超构表面不仅可以在亚波长尺寸的范围内实现对光的相位、偏振和振幅的操控，通过对超构表面的合理设计，甚至还可以调控光子角动量、非线性、量子时空纠缠等特性。这极大地丰富了控制电磁波的方法，并带来许多传统光学器件所无法实现的功能。随着纳米加工技术的进步，人们已经利用多种加工技术成功制造出各种类型的超构表面，而对其新型功能的探索也正在进行之中。

▲ 超构表面的应用

▲ 超构器件的设计、制造和测试流程图

在未来，引入超构器件能进一步增强光电子设备的性能，使设备功能多样化，并且有望应用到元宇宙或是手机这样的可携式消费者的产品中，将在消费者领域占有重要地位。

《超构器件理论和应用》（蔡定平编著．北京：龙门书局，2024.3）是为物理、光电子、电子科学技术等专业的高年级本科生或研究生准备的，介绍有关超构器件、纳米技术和纳米光学等前沿研究。通过本书，读者能系统地了解超构器件的有关理论和实际应用，提升对超构器件的理解，为读者进入超构器件的相关研究领域工作打下基础。

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全书共10 章。

• 第1 章至第3 章介绍了与超构器件相关的基础理论。其中第1章介绍了波前控制基本理论，阐明了基于不同原理的波前操控方法；第2 章详细描述了亚波长微纳结构中的光学相互作用，具体讨论了各种纳米光学现象、原理及其在工程上的应用；第3 章则介绍了电磁领域的重大发现——从环形偶极子到零极子。

• 第4 章至第9 章介绍了超构器件的应用。其中，第4、5 章分别介绍了流体超材料和微机械可调谐超材料，包含对各式各样的基于不同原理和设计的超材料的简述；第6 章研究了超构表面的基本应用，讨论了超构表面的偏振控制和波前操纵；第7 章则回顾了超构透镜的有关理论，在回顾基本原理后，介绍了超构透镜的功能评估和优化的关键指标，并在最后分析其所遇到的挑战；第8 章总结了超构器件的发展与应用，详细介绍了超构器件设计和制造的一般性原理和方法；第9 章介绍了纳米结构中的非常光场所带来的全新应用。

• 第10 章则涉及超构器件的加工和表征，首先简述了超构器件的加工，随后详细介绍了各种加工超构器件的技术，并总结了它们各自的优缺点和应用场景。

本书是作者在国内出版的第一本书。由于本书涉及许多近二十年内出现的新兴概念，如零极子(anapole)、流体超材料(fluidic metamaterial)等，此前国内并无一个准确统一的译名，故作者只好给出参考译名，并在首次出现该概念时附上其对应的英文原文，以供读者参考。由衷希望专家学者和相关机构能尽快对这些新兴概念确定一个统一的译名，方便广大使用中文的读者进行阅读，促进本领域在国内的传播。

本文摘编自《超构器件理论和应用》（蔡定平编著．北京：龙门书局，2024.3）一书“前言”“第1 章 波前控制基本理论”，有删减修改，标题为编者所加。

（超材料前沿交叉科学丛书）

国家出版基金项目

ISBN 978-7-5088-6418-1

责任编辑：陈艳峰 杨 探

本书主要讲述了超构器件的有关理论、实际应用和加工制造方法。本书共10 章，包括波前控制基本理论、亚波长微纳结构中的光学相互作用、从环形偶极子到零极子、流体超材料、微机械可调谐超材料、超构表面的基本应用、超构透镜、超构器件的发展与应用、纳米结构中非常光场的应用、超构器件的加工和表征。本书所涉及的是相关领域前沿科学研究的最新进展，附有大量实际超构器件的设计案例及图例，便于读者理解。

本书是为物理、光电子、电子科学技术等专业的高年级本科生或研究生准备的，亦可供超构器件领域的研究人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

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