微波超构表面深亚波长分辨率高光谱成像技术：揭示非均匀展宽机制与缺陷诊断新方法

针对微波超构表面（metasurface）因制造缺陷导致性能下降的难题，英国研究团队开发了一种基于单像素相机和光调制器的深亚波长分辨率高光谱成像技术。该技术通过光激发硅层选择性调控元原子（meta-atom）共振，实现了15 GHz下λ/600的空间分辨率，成功定位界面污染物、尺寸误差等缺陷源，使器件峰值透射率提升近两倍。这项发表于《Nature Communications》的研究为大规模超构材料质量控制提供了高效诊断工具。

　　

微波超构材料因其可定制自然界不存在的电磁特性而备受关注，但实际应用中制造缺陷常导致器件性能远低于设计预期。传统透射谱测量无法区分缺陷类型，而逐点扫描近场探测又难以应对包含数千元原子的复杂表面。如何快速、精准地诊断超构表面缺陷成为制约其工业化应用的关键瓶颈。

英国埃克塞特大学Harry Penketh团队在《Nature Communications》发表的研究中，提出了一种革命性的高光谱成像方法。研究人员设计了一种集成光活性硅层的微波超构表面，通过数字微镜器件（DMD）投影可见光图案，在硅中产生局域载流子改变元原子共振特性。结合可调谐微波源和单像素探测系统，采用哈达玛（Hadamard）基底压缩感知技术，实现了80×80 mm视野下128×128像素（对应λ/600分辨率）的高速成像。每幅单频图像仅需1.6秒采集，通过频率扫描构建三维高光谱数据立方体。

关键技术包括：1）光调制超构表面设计，利用硅中光生载流子（密度约10¹⁸/m³）选择性阻尼元原子共振；2）单像素成像系统，采用32,768次哈达玛投影重构图像；3）可变厚度硅调制器（675μm至6μm）实现扰动最小化；4）多样品验证策略，包括人为引入头发（50μm）、PVC膜（10μm）等缺陷。

【超构表面设计】
研究采用铜制方形螺旋谐振器（尺寸1.349/1.184 mm）构成棋盘结构，模拟显示微米级空气间隙即可使共振频率偏移（图1b）。实测透射谱与理想模型存在显著差异（图1a），暗示界面污染或制造误差可能导致非均匀展宽。

【高光谱分析】
12 GHz与13 GHz成像（图2b-c）揭示不同区域元原子激活频率的互补性。彩色编码合成图（图3）显示缺陷呈集群分布而非随机，指向系统性误差来源。通过对比清洁前后样品（图5），确认界面污染物是主要因素，清洁后峰值透射率从40%提升至近80%。

【缺陷特征库】
人为引入缺陷的实验（图4a）显示：50μm头发引起剧烈频移，10μm PVC膜导致均匀频偏，而划伤的元原子完全失谐。6μm硅调制器成像（图6b）达到λ/600分辨率，可分辨单个元原子的近场分布。

【普适性验证】
通过外置硅调制器方案（图6a），在21-26 GHz波段验证了该方法对非光活性超构表面的适用性，频率扰动可控制在1.5%以内。

该研究建立了超构表面缺陷的"指纹"识别体系：界面污染物引发集群频移，制造误差导致渐变尺寸变化，而点缺陷表现为孤立信号消失。创新性地将光调制与压缩感知结合，突破了传统近场探测的速率限制，为太赫兹波段超构材料表征提供了新范式。研究揭示的亚微米级界面敏感性（λ/10,000空气隙即影响性能）对多层超构器件封装工艺具有重要指导意义。开源的数据和代码（DOI:10.5281/zenodo.15208969）将进一步推动该技术在5G/6G智能表面、隐身材料等领域的应用。