什么是超表面？超表面或许可以取代LCD？

在电气工程的许多领域，技术进步的一个主要焦点一直是开发比当前技术水平更快、更小、更高效的设备。其中一个例子是1960 年代后期液晶显示器 （LCD） 的发明，它彻底改变了显示器行业，导致显示器更薄、更节能。

然而，即使LCD具有许多优点，它们仍然有其局限性。为了克服这些限制，研究人员正在研究一种叫超表面（metasurfaces）的技术作为一种有可能取代LCD的新兴技术。正是沿着这些思路，上周新南威尔士大学宣布，一组研究人员开发了一种新的概念证明，将超表面作为一种显示技术。

该研究团队来自三所大学，包括英国诺丁汉特伦特大学、新南威尔士大学和澳大利亚国立大学。在本文中，我们将探讨这项新研究，我们将讨论什么是超表面，以及为什么它们可以取代LCD。

研究人员开发超表面显示

正如他们在《自然》杂志上的论文中所描述的那样，研究小组开发了一种新的电可调超表面，可以跨多个像素进行编程。为了实现这一目标，研究人员使用了一种新技术来实现超表面的电可调性，该技术利用了硅的大热光学效应。

 

超表面装置的渲染图。图片由悉尼新南威尔士大学提供

具体来说，该团队开发了一种基于硅热光学效应的CMOS兼容方法，使用由小于5 V的偏置电压驱动的局部透明加热器来控制硅空穴阵列超表面的光学特性。加热导致硅折射率的变化，从而导致超表面共振的变化，导致共振波长处的透明度突然变化。

由此产生的器件在传输状态下工作，具有低光损耗、低输入电压要求，并以高于视频速率的开关速度运行。值得注意的是，通过施加不对称驱动电压，研究人员实现了急骤加热( flash heating )，并观察到625μs的调制时间，比人眼的检测极限快十倍以上。

什么是超表面？

超表面是由亚波长元素组成的二维阵列，可操纵光以产生所需的效果。

这些亚波长元素通常小于它们相互作用的光的波长，并且可以设计它们来改变通过它们的光的性质。例如，这些阵列的一个主要应用是选择性地传输或反射入射光以将其聚焦并以所需方式控制。 

超表面的一些应用

使用纳米制造技术，今天的超表面可以与毫米波，微波和可见光一起工作。元件可以由不同的材料制成，例如金属或电介质，并且可以以不同的图案排列以达到特定的效果。

由于它们能够在纳米尺度上制造，并且能够控制光的方向和偏振，因此超表面在许多应用中都具有潜力，包括通信系统、传感和成像。

为什么超表面可以取代LCD

在显示技术领域使用超表面有一个令人信服的论据，许多人认为它们最终可以取代LCD。

基于超表面的显示器的基本操作将涉及一个光源，例如 LED，它将光发射到超表面上。超表面然后操纵光波以产生所需的效果，例如产生图像或改变光的颜色。这种对光波的操纵是通过使用超表面的亚波长元素控制光波的相位、振幅和偏振来实现的。

超表面显示的示例

例如，为了生成图像，可以将超表面设计为充当微小像素的数组。每个像素将由一个亚波长元件组成，该元件可以控制光的相位、振幅和偏振。通过调整光的这些特性，超表面可以产生不同颜色和强度的光，从而创建图像。

超表面的一个优点是它们能够产生比LCD更宽的视角。LCD倾向于使用偏振器来控制光的方向，这可能会限制显示器的视角。而采用超表面来控制光的偏振，这可以带来更宽的视角。

此外，超表面具有比LCD更高的能源效率的优势，LCD中能量消耗的一个主要来源是需要背光来产生图像。基于超表面的显示器不需要背光，因此可以带来更节能的解决方案。

超越概念验证？

虽然他们的研究只是一个概念验证，但新南威尔士大学新闻中强调的研究团队乐观地认为，他们的发现是朝着开发完全商业化的基于超表面的显示器的正确方向迈出的第一步。

编辑：黄飞