第一篇：生態(tài)學理論及實驗課程教學研究論文

1理論課程

1.1課程設置探索

生態(tài)學課程主要分為基礎生態(tài)學和應用生態(tài)學兩個部分。基礎部分主要包括有機體與環(huán)境、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學；應用生態(tài)學主要介紹全球氣候變化與環(huán)境污染、人口與資源、農業(yè)生態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)服務及生物防治等內容。由于受課時數(shù)限制，故課程安排應做到精選教學內容，根據(jù)學生專業(yè)知識掌握情況進行統(tǒng)籌規(guī)劃。例如本專業(yè)學生在大一及大二時進行過動植物學野外實習，對自然生態(tài)系統(tǒng)已經具有一定的感性認識，且通過近兩年的專業(yè)知識學習，已經掌握了一定的動物學、植物學及微生物學等相關知識，因此涉及環(huán)境、個體的內容僅作簡要介紹；而種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)以及應用生態(tài)學的內容和知識點較多，需進行深入、具體地講解。課程設置的原則依據(jù)學生對本專業(yè)相關知識掌握的具體情況，以教材為基礎，結合當前國內和國際研究的熱點問題和最新研究現(xiàn)狀，做到精選、精講教學內容，突出教學重點及難點，拓寬學生的學習視野。

1.2教學方法探索

對生態(tài)學課程的教學，以往多以課堂板書教學的方式進行，且僅限于理論知識的介紹，授課效果往往受到制約。教師在教學活動中采用多樣化、靈活化的教學方式能夠激發(fā)學生學習興趣和求知欲望。鑒于生態(tài)學本身課程的特點，課程中配合多媒體影音資料，如圖片、視頻、動畫等方式將一些生態(tài)現(xiàn)象、過程、機制等以可視化的方式呈現(xiàn)，生動、形象地將一些專業(yè)理論知識直接地呈現(xiàn)，極大提高學生對生態(tài)學學習的感性認識以及學習積極性。當前生態(tài)學研究突飛猛進，在很多方面都有優(yōu)秀的專業(yè)視頻，例如在進行生物與各種無機及有機環(huán)境間關系講解時，可配合英國廣播公司（BBC）制作的“植物之歌”系列視頻，能夠將地球環(huán)境的演變過程與生物進化過程相聯(lián)系，讓學生了解和掌握環(huán)境變化如何決定生物的分布以及多度，生物的生存又可以改變環(huán)境，生物與環(huán)境間相互制約、相互依存的關系。視頻放映過程中教師可結合影片中的一些現(xiàn)象進行及時補充和分析，幫助學生對抽象知識的理解和記憶。

2實驗課程

生態(tài)學實驗教學是生態(tài)學課程的重要組成部分，通過實驗課對一些生態(tài)現(xiàn)象的過程及機制的驗證、探討，一方面可對理論課程的知識點進行理解和驗證，另一方面通過實驗課程可培養(yǎng)學生邏輯思維能力、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力以及動手實踐能力。

2.1實驗內容改革

調整實驗內容結構，合并部分實驗，變驗證性實驗為驗證-設計相結合實驗，增加創(chuàng)新性實驗。驗證性實驗是深入開展生態(tài)學研究的基礎，單純的驗證性實驗會降低學生實驗的積極性和探索性。通過對部分驗證性實驗進行改進，引入一些研究型實驗，使學生在掌握基礎實驗技能的基礎上，拓展學生的研究思路，培養(yǎng)學生獨立思考和獨立實驗的能力。例如“土壤水分的測定”實驗僅涉及水分測定，內容較簡單，同學們能夠掌握土壤水分測定方法但不能深刻理解土壤水分含量變化與植被類型以及植株生理活動的關系。通過調整實驗內容，鼓勵學生在完成土壤水分測定的基礎上，通過室內實驗探討土壤水分變化對一些植株生長、色素、光合以及呼吸等生理、生化過程的影響，以此能夠加深學生對土壤水分的生態(tài)學意義的理解。創(chuàng)新性實驗開設可由老師根據(jù)當前的研究前沿，結合教師的課題內容以及當前可用實驗儀器資源進行擬定。分別設立了各項國家級、省級大學生創(chuàng)新項目，因此通過生態(tài)學實驗課的開展，鼓勵、指導學生自主設計實驗并進行相關研究課題的申報，進一步增強學生的科研熱情和科研興趣。尤其是在一些尚無研究生招生資質的二本院校，通過實驗課程，培養(yǎng)、引導本科生從事科學研究，能夠提高學生的自信心，培養(yǎng)學生思維創(chuàng)新與動手操作能力。

2.2實驗設計及流程控制

生態(tài)學實驗往往都是建立在團隊合作的基礎之上，尤其是一些野外實驗，更是需要集體的力量。因此生態(tài)學實驗的設計需充分考慮這一特點，注意培養(yǎng)學生的協(xié)同合作能力。例如，在進行水生浮游植物群落結構調查實驗中，對不同采樣點進行取樣的同時，需要對水體其他理化參數(shù)進行測定?？筛鶕?jù)班級人數(shù)以及實驗的規(guī)模，建立小組制度。每個小組的實驗內容可根據(jù)情況進行不同程度的調整，保證每個小組的實驗內容都不同。指導教師明確每個小組的實驗目的及實驗內容，小組組長及成員對該小組實驗流程進行規(guī)劃，組長在實驗過程中統(tǒng)籌安排該小組的實驗內容以及每位組員的實驗任務。實驗設計完成后由小組組長與指導老師進行溝通，對實驗方案進行修改和補充。實驗過程中指導教師全程跟蹤，并要求每個小組組長及時匯報實驗結果，并根據(jù)實驗結果情況對實驗方案進行調整。通過這種形式，能夠充分發(fā)揮每位學生的能動作用，使他們都能在實驗過程中充分鍛煉其動手操作、協(xié)同合作能力，增強學生實驗的積極性以及創(chuàng)新能力。

2.3實驗報告撰寫及成績評定規(guī)則

規(guī)范實驗報告寫作，提高寫作質量。實驗報告撰寫涉及較多內容，要求學生掌握多項技能，例如實驗數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計分析、圖表制作、實驗結果描述以及討論等，因此可在實驗開展之前對學生進行提前培訓。通過實驗報告的撰寫培養(yǎng)學生嚴謹、科學的工作態(tài)度，為以后更好地從事科學研究、論文寫作等奠定基礎。改革考核方式，加強監(jiān)督。分組實驗能夠鍛煉學生的團隊合作以及協(xié)調溝通能力，然而也容易使部分學生養(yǎng)成偷懶的習慣，把實驗任務交給小組組長或其他成員。因此進行分組實驗，需要改革考核方式，加強監(jiān)督，同時要求每位小組成員結合實驗設計、實驗操作、實驗數(shù)據(jù)等，能夠獨立對該實驗中出現(xiàn)的問題、現(xiàn)象進行解釋，并提出對應的解決辦法，嚴禁抄襲、雷同等。改革實驗成績評定方式。以往實驗成績都是以教師直接進行評定，通過改革，在公平、公正原則基礎上，將學生實驗成績分成兩個模塊，即小組組長評議和教師評分兩個部分。小組組長需嚴格按照實驗規(guī)范及評分細則（具體制定加、減分條目）對小組各成員的操作規(guī)范和實際貢獻打出分數(shù)（具體排名），教師結合課堂提問、實驗報告質量（格式、內容、結果、分析討論等）進行綜合評定。

3生態(tài)學理論教學與實驗設計互補

生態(tài)學的理論課教學應注意把具體的生態(tài)學知識融合到整體的生態(tài)思想和理論中，突出對學生系統(tǒng)觀、動態(tài)觀、時空尺度觀等生態(tài)思維方式的培養(yǎng)；實踐課程教學中應注意培養(yǎng)學生的基本實驗技能，提高分析和解決實際問題的能力。理論教學中的重點內容，應予以突出，并在實驗課時，對該理論進行回顧、強化，通過實驗加強對理論知識的理解和記憶，實現(xiàn)理論教學與實驗內容互補。

4小結

生態(tài)學的教學活動主要從個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)和生物圈等不同層次分析生物與環(huán)境之間的關系。通過理論推介、案例剖析，使學生掌握生態(tài)學的基本知識體系和思想方法，形成宏觀的生態(tài)思維，提高對當前資源和環(huán)境問題的認識能力和把握水平。教學過程中需要不斷創(chuàng)新、改革教學內容和教學模式，改革實驗課程體系和課程考核方式，以教師指導、學生為主體進行相關設計性實驗，從而實現(xiàn)更加高效地調動學生主動學習的積極性、自覺性，提高課程教學效果。

第二篇：電子線路課程理實一體化教學研究論文

摘要：《電子線路》是一門理論性和實踐性都很強的課程，在教學中要構建起理實一體化的課堂，才能讓學生對相關知識實現(xiàn)有效的掌握，并且靈活運用。尤其是對口單招電子專業(yè)，更需要強化此門課程的教學。因此，本文就著重針對《電子線路》課程理實一體化教學的實現(xiàn)展開分析，提出了一些具體的策略，希望可以給廣大教師提供一些參考。

關鍵詞：對口單招；《電子線路》；理實一體化

對口單招是高水平應用型技能人才培養(yǎng)的一種主要模式，對于對口單招電子專業(yè)的學生而言，在教育培養(yǎng)上不僅需要學生具備扎實的理論基礎，也要具備良好的實踐能力，這樣才能符合社會需求。《電子線路》作為該專業(yè)的一項重要課程，便需要貫徹理論結合實踐的教學理念，構建起理實一體化的教學體系，推動專業(yè)教學的發(fā)展進步，強化學生的綜合素養(yǎng)，從而培養(yǎng)出理論與實踐水平都很高的專業(yè)型技術人才。

1借助多媒體加強實例分析

從目前的教學環(huán)境來講，多媒體條件已經很成熟，教室內既有專業(yè)的多媒體教學設備，也有專門的多媒體教室。因此，在教學活動中，就可以借助多媒體，大量引入實際案例進行分析講解，在案例分析講解中貫徹理論知識，讓學生在實例分析中對相關的理論知識實現(xiàn)掌握理解。而在利用多媒體加強案例分析的過程中，實現(xiàn)途徑是比較多樣的，教師可以根據(jù)實際情況靈活選擇。首先，可以在課前導入一個與教學內容相關的案例，設置一些簡單的問題讓學生展開思考，看看學生能否得出答案，同時檢驗學生的預習成果。通過課前的實例導入，可以將學生的注意力集中到課堂上，并且調動起學生的積極性，促進學生的思考。其次，可以在具體知識點的講解中，結合案例做出分析。在一些電子線路知識的講解中，部分知識點較為理論，學生理解起來可能存在困難，那么便可以借助多媒體展示一些實際的案例，將這些理論知識放到實際案例中進行說明，這樣一來，理實結合，學生自然可以更加高效地把握重點。最后，在對相關知識完成講解之后，還可以通過多媒體引入實際案例讓學生展開拓展訓練，將理論用于實踐。比如在教學半導體的相關知識時，在課前就可以利用多媒體展示一些不同的半導體，讓學生來分析這些半導體的特點。而在課堂上針對半導體的原理和構成進行講解時，就可以結合多媒體展示具體的半導體立體模型，強化學生認知。而在課后，則可以引入一些關于二極管的拓展練習，讓學生進行實踐。借助多媒體引入實例，與理論教學相結合，可以起到顯著的教學效果。

2結合實際實驗展開教學

除了利用多媒體引入實例進行教學之外，還可以在課堂教學中結合實際的實驗進行教學。在《電子線路》課程中，有不少實驗性的內容，比如二極管檢測、三極管檢測、放大電路仿真測試等內容，都涉及到了具體的實驗。因此，在課堂教學中講解理論知識的時候，就可以結合實際的實驗來展開教學，將理論知識和實驗融合起來。理論與實驗的結合，這是另一個層面的理實結合，和引入實際案例存在一定的區(qū)別。在結合實驗進行教學時，教師需要注意對一些要點加強把握。第一，要注重實驗的便利性。要在課堂上引入實驗，那么就需要確保實驗的實施盡可能方便，如果實驗太過復雜，那么可能會大量占用課時，讓理論教學時間緊張。第二，要注重實驗的過程性。所謂的過程性，就是要將實驗的具體過程展示出來，而不僅僅是給學生展示一個實驗結果。因為實驗過程是實驗原理的體現(xiàn)，而實驗原理則是理論知識的體現(xiàn)，所以詳細清楚地展示實驗過程，有助于學生對理論知識加強理解。第三，要注意可視性。教師在講臺上進行實驗，后排的學生可能看不清，因此可以借助攝影設備，將畫面投放到多媒體上，確保所有學生都能看清。比如對于二極管的相關知識進行教學時，就可以在課堂上引入二極管檢測實驗，教師在講臺上進行二極管檢測實驗，通過攝影機將畫面投射到多媒體屏幕上，在對二極管管腳極性、伏安特性等知識講解時，就可以一邊講解，一邊動手實驗，讓實驗結合過理論知識相互印證，這樣一來就可以大大增強學生的理解。

3利用任務驅動促進學生動手實踐

要實現(xiàn)《電子線路》教學的理實一體化，還可以利用任務驅動這一手段開展教學，促進學生動手實踐，在實踐中對相關的理論知識展開探討和學習。任務驅動這一教學方法，其根本內涵就是通過具體的學習任務來讓學生展開自主學習，教師在學生自學過程中給予點撥啟發(fā)，幫助學生順利完成自學，對相關的知識實現(xiàn)掌握。在《電子線路》理實一體化教學構建中，就可以利用這種方法，事先設計一些實踐探究任務，在課堂上將這些任務布置給學生，讓學生進行自主探究，對相關的理論知識形成掌握。之后教師再根據(jù)學生的實踐探究情況，展開歸納總結，升華教學。比如在教學共集電極放大電路的時候，前邊已經對基本放大電路進行了教學，學生已經對放大電路有了一定的認識。因此，在教學共集電極放大電路的時候，就可以采取任務驅動這一方法，來構建理實一體化的課堂。具體而言，教師可以實現(xiàn)準備一些共集電極放大電路的電路圖，然后結合教學內容，根據(jù)這些電路圖設計一些相關的問題。在課堂上，將這些放大電路圖和對應的問題，隨機分發(fā)給學生，讓學生根據(jù)問題和電路圖，自主探究書本上的理論知識，對相關問題做出解答。這樣的一個過程，學生需要進行自主探究，通過理論聯(lián)系實際，解決相關問題，如此便實現(xiàn)了理實一體化的教學。之后教師結合不同的電路圖進行理論知識的深化講解，則是進一步加深了教學活動的理實一體化。

4引入VR技術實現(xiàn)理實一體化教學

隨著社會的不斷發(fā)展，一些信息技術也得到了快速發(fā)展，其中VR技術是一項值得關注的技術。VR技術起源較早，在20世紀就已經提出了相關的概念，但是受到其他相關信息技術的限制，VR技術的發(fā)展較為緩慢。直到近些年，信息技術和計算機技術飛速發(fā)展，推動VR技術逐步成熟，已經開始商用。VR技術可以通過智能設備，構建起虛擬現(xiàn)實場景，穿戴相關的VR設備之后，就可以浸入這些虛擬場景。比如在多級放大電路的教學中，就可以借助VR技術，針對相關的理論知識構建虛擬實踐場景，如多級放大電路的構建、特性分析等，讓學生通過相關的VR設備浸入到這個虛擬實踐場景中，進行多級放大電路的實踐，解決預設的相關問題。這種方法能夠構建各種不同的虛擬現(xiàn)實場景，全面滿足教學實踐的需求。而且在虛擬實踐中，不存在以往的損壞電子設備的問題，可以說大大降低了教學成本，而且很好地將實踐和理論結合了起來。

5結語

對于對口單招電子專業(yè)的學生而言，構建理實一體化的教學課堂，是強化其專業(yè)素養(yǎng)的關鍵渠道。在教學中，可以借助多媒體引入實例，也可以結合實驗進行教學，此外還可以基于任務驅動展開教學，還可以借助VR技術實施教學?？傮w來說，要實現(xiàn)理實一體化的《電子線路》教學，方法是比較多的，這就需要教師結合當前實情，做出合理的選擇。

參考文獻

[1]姬留杰,李靜.高職高頻電子線路課程理實一體化教學改革探索[J].福建電腦,2017,33(4):79-80.[2]王英.利用理實一體化優(yōu)化對口單招班電子線路教學的探索[J].電子世界,2016(12):28.[3]張機.電子技術課程理實一體化教學設計初探[J].中國培訓,2016(12):129.

第三篇：TRIZ理論及應用研究論文

[摘要] 本文在對TRIZ理論的定義、基本原理和體系結構概括介紹的基礎上，分析了TRIZ在生產管理系統(tǒng)創(chuàng)新中的應用與不足之處，提出了改進建議。

[關鍵詞] 創(chuàng)新 TRIZ 生產管理系統(tǒng)

對于企業(yè)來說，創(chuàng)新涉及到工程領域與企業(yè)生產經營管理。TRIZ理論作為工程領域解決創(chuàng)新問題的最有力的方法，目前已擴展非工程領域創(chuàng)新研究中，本文主要針對生產經營管理領域的應用進行研究。

一、TRIZ理論方法

在TRIZ之父Altshuller的領導下，TRIZ研究團體分析了近250萬件高水平的發(fā)明專利，并綜合多學科領域的原理和法則后，建立起由解決技術問題和實現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的TRIZ理論體系。

1.TRIZ 體系結構

TRIZ提供了發(fā)現(xiàn)、解決問題的工具和技術，可以幫助設計人員避免解決問題過程中繁瑣的試湊工作。TRIZ方法論包含分析工具和基于知識的工具。

(1)TRIZ分析工具。分析工具包含物質－場分析、ARIZ算法、需求功能分析等，這些工具用于問題模型的建立、分析和轉換。①物質-場分析：TRIZ將所有的功能都分解為兩種物質及一種場，產品是功能的一種實現(xiàn)，可用物質-場分析產品的功能。物質S1可以是被控粒子、材料、物體或過程，物質S2是控制S1的工具或物體，場F是用于S1與S2之間相互作用的能量，如機械能、液壓能、電磁能等。② ARIZ算法：ARIZ稱為發(fā)明問題解決算法，是發(fā)明問題解決的完整算法，該算法采用一套邏輯過程逐步將初始問題程式化。③功能分析：從完成功能的角度分析系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件，設計中的重要突破、成本或復雜程度的降低往往是功能分析的結果。

（2)基于知識的工具?；谥R的工具包含40條發(fā)明原理、76個標準解和效應數(shù)據(jù)庫。①40條發(fā)明原理：用于找出創(chuàng)新的解決方案。每一種解決方案都是一個建議，應用該建議可以使系統(tǒng)產生特定的變化以消除技術沖突。②76個標準解：用于解決基于技術系統(tǒng)進化模式的標準問題。按照目標這些標準解被分為五類，分類中解的順序反映出技術系統(tǒng)的進化方向。③效應知識庫：庫是TRIZ中最容易使用的一種工具。運用庫中的各種物理、化學和幾何效應可以使解決方案更理想和簡單地實現(xiàn)。

2.TRIZ解決問題流程

應用TRIZ解決問題的第一步是對給定的問題進行分析；如果發(fā)現(xiàn)存在沖突則應用原理去解決；如果問題明確但不知道如何解決，則應用效應去解決；第三種選擇是對待創(chuàng)新的技術系統(tǒng)進行進化過程的預測；最后是評價，確定是否滿足求。如果滿足要求，則進行后序的設計工作；反之，要對問題進行重新分析。

二、TRIZ的應用

在歐美等發(fā)達國家，基于TRIZ理論的應用非常廣泛，從工程領域到政治、生產管理、組織結構、教育等非工程領域，無不顯示出它的生命力。

1.TRIZ在企業(yè)生產管理領域創(chuàng)新中的應用

在參考工程領域的創(chuàng)新問題求解技術的基礎上，通過演繹推理的方法提出的在生產管理領域創(chuàng)新中應用TRIZ是完全可行的。近幾年來，有些學者通過對TRIZ 方法及工具的局部修改后，應用在管理領域上。Mann & Domb把40個創(chuàng)新原理引入到商業(yè)活動中，就每個創(chuàng)新原理提出相應的商業(yè)原則，建議當企業(yè)面臨類似的問題時可以利用此40 個創(chuàng)新原理作為解決的對策。Ruchti& Livotov利用TRIZ 系統(tǒng)化的思考模式和解決問題過程，提出12 條雙向原則作為解決商業(yè)與組織管理問題的參考。

2.TRIZ應用于企業(yè)生產管理創(chuàng)新中的不足

應用TRIZ理論解決企業(yè)生產管理創(chuàng)新問題時，完全挪用工程領域的理論框架并不可取，解題工具僅僅利用40個創(chuàng)新原理和沖突矩陣使用面太窄。TRIZ 直接用于生產管理領域創(chuàng)新失敗的主要原因包括：結構失效、問題分析方法單

一、解題工具不足、算法不能適應生產管理領域創(chuàng)新問題、操作性差等。

3.TRIZ在生產管理領域創(chuàng)新中的應用改進建議

(1)根據(jù)TRIZ的思想和基本哲理，結合生產管理領域創(chuàng)新的特點，構建面向生產管理領域創(chuàng)新的TRIZ理論體系；(2)針對生產經營管理的特點，在39個通用工程參數(shù)的基礎上進行增減，確定生產經營管理參數(shù)，進而構建一個新的生產經營管理沖突矩陣，并且修改40個創(chuàng)新原理，作為改善的策略。充分運用物質─場模型功能描述的特點和76個標準解，拓寬解題工具。(3)把質量功能布置（QFD）、六西格瑪設計（DFSS）、約束理論（TOC）、田口方法等方法與TRIZ進行結合，以改進TRIZ分析生產管理領域創(chuàng)新問題方法單一的缺陷。(4)進一步細化生產管理領域的問題描述，逐步做到以定量分析為主，提高可操作性。

三、結論

本文介紹了TRIZ 基本理論和主要工具，探討了在生產管理領域創(chuàng)新中的應用。針對其在解決生產管理領域創(chuàng)新中存在的一些問題，給出了應用改進建議。我們相信隨著TRIZ 理論的發(fā)展，其在生產管理領域創(chuàng)新中的應用操作性會愈來愈強，應用范圍會越來越廣，成為解決生產管理領域創(chuàng)新的有效方法和手段。

參考文獻：

[1]Mann&Domb, “Systematic Win-Win problem Solving In A Business Environment”,The TRIZ Journal, 004km.cn., 2002

[2]Ruchti, B&Livotov, p, “TRIZ-based Innovation principles and A process for problem Solving in Business and Management”, The TRIZ Journal,004km.cn., 2001

第四篇：《現(xiàn)代教育技術理論及應用》課程考核

《現(xiàn)代教育技術理論及應用》課程考核要求

一、課程考核成績構成平時成績占20%，期末測驗占80%。其中，平時成績根據(jù)學生出勤、課堂紀律保持、課堂參與程度和平時作業(yè)等情況綜合評定。期末測驗由教學設計(30分)、多媒體課件（30分）和上機測試（40分）三部分組成。

二、教學方案設計基本要求

1、結合所學專業(yè)，學生自主選擇幼兒園、小學、初中或高中一堂課程，撰寫一份教學設計。注意選擇需要充分應用多媒體支持的課題。

2、教學方案設計的格式、樣例請參考附件

一、附件二。

3、教學方案設計成績評定標準請參考附件三

3、使用A4紙雙面打印教學設計，并按照正確順序居左裝訂。

三、多媒體課件制作基本要求

1、多媒體課件制作的依據(jù)是上述教學方案設計，對于課件與教學方案設計內容不一致的，不給分。

2、使用PPT、FLASH、AUTHORWARE或課程范圍內的其它制作軟件。若為PPT課件，頁面必須制作10頁以上。

3、多媒體課件評分標準請參考附件四。

4、嚴禁抄襲、拷貝他人課件，一經教師發(fā)現(xiàn)，課程成績計零分。

5、每個同學使用所選課題命名課件、教學設計，如“小露珠.PPT”、“ 小露珠.DOC”。課件、教學設計電子文檔統(tǒng)一存放在一個文件夾中，文件夾使用“學號姓名”命名，例如“20090511689關意軍”。

6、科代表或學習委員將全班課件、教學設計電子文檔（文件夾以專業(yè)年級班級命名，例如“歷史學2008級1班”，將所有文檔存放在該文件夾中），連同紙質教學設計一并上交任課教師，截止時間為第十八周最后一次課。

四、上機測驗基本要求

1． 任課教師根據(jù)本期授課內容自行命題，要求學生設計一個完整的小型項目或5個左右的技術要點進行隨堂測試?？紤]到各班測試時間先后不同，試題保密有難度，為公平起見應采用A、B、C卷等方式保證各班測試題目的區(qū)別。上機測試時間為90分鐘，要求在第18周最后一次課完成測試。

第五篇：論文翻譯——超表面理論及應用

超表面理論及應用-超材料的平面化

An Overview of the Theory and Applications of Metasurfaces: The Two-Dimensional Equivalents of Metamaterials Christopher L.Holloway1, Edward F.Kuester2, Joshua A.Gordon1, John O’Hara3, Jim Booth1, and David R.Smith4

三碗

譯

摘要

超材料通常由按一定規(guī)律排布的散射體或者通孔構成，由此來獲得一定的性能指標。這些期望的特性通常是天然材料所不具備的，比如負折射率和近零折射率等。在過去的十年里，超材料從理論概念走到了市場應用。3D超材料也可以由二維表面來代替，也就是超表面，它是由很多小散射體或者孔組成的平面結構，在很多應用中，超表面可以達到超材料的效果。超表面在占據(jù)的物理空間上比3D超材料有著優(yōu)勢，由此，超表面可以提供低耗能結構。文章中將討論到超表面特性的理論基礎和它們不同的應用。我們也將可以看出超表面和傳統(tǒng)的頻率選擇表面的區(qū)別。

在電磁領域超表面有著很廣泛的應用（從微波到可見光波段），包括智能控制表面、小型化的諧振腔、新型波導結構、角獨立表面、吸收器、生物分子設備、THz調制和靈敏頻率調節(jié)材料等等。文中綜述了近幾年這種材料或者表面的發(fā)展，并讓我們更加接近一百年前拉姆和Pocklington或者之后的Mandel和Veselago所提出的令人驚訝的觀點。

引言

最近這些年，超材料這方面一直引領著材料的潮流。超材料是一種新的人工合成材料來得到自然材料所不具備的一些特性。在電磁背景中，這方面最早的實例就是人工電介質。之后，我們將會看到和經典結構完全不同的超材料和超表面，比如光子能帶隙結構（PBG）、頻率選擇表面（FSS）。雙負指數(shù)（DNG）超材料是一種盛行的超材料，也叫作負指數(shù)材料（NIM）、左手材料等（LHM）。這種材料的特性是在給定的頻率帶寬內其有效介電常數(shù)和磁導率是負的。另一種特性是近零折射率。在這種材料中，其介電常數(shù)和磁導率都被設計成接近于零。擁有這些特性的材料可以應用在很寬的頻率范圍（微波到可見光頻段），并且其應用也很廣泛，如隱身、低反射材料、新型結構、天線、電子調諧、超透鏡和諧振器等。

現(xiàn)在的超材料研究來源于對Bexelago理論的仿真，或者是基于之后Pendry、Smith等人所實現(xiàn)的超材料結構。然而，這個領域中很多研究者并沒有認識到負折射率超材料的概念和它們令人吃驚的性能可以回溯至那么早的時間段。實際上，這種材料的理論可以回推到一個世紀以前。早在1967年，一些學者已經對超材料做出了研究，而更早的Sivukhin在1957年對超材料的特性做了簡單的描述。Malyuzhinets和Silin都相信L.I.Mandel在更早的時間里做過超材料研究。Mandel提到關于Lamb的1904年的報紙，稱Lamb或許是這一領域的第一人。Lamb提出了反波的存在性（在相反方向上擁有相位和群速度的波，他的實例包含機械系統(tǒng)而不是電磁波）。Schuster在他1904年的可見光書中簡短的談及了Lamb的工作，并提出了在可見光介質中或許也有著反波的特性。1905年，Pocklington展示在某種情況下靜止的自行車鏈條可以產生反波，加上突然的激勵可以產生一種擁有遠離波源的群速度和朝向波源的相速度。

超材料通常是用規(guī)律排列的小散射體構成的結構，以此來獲得期望的性能。超材料可以被擴展成二維分布的電子散射體圖1.圖1a闡述一種普遍的散射體排布，而圖1b-1d展示更多的特殊例子。圖1b展示一種金屬散射體排布，它可以獲得與經典開口環(huán)結構所產生的磁響應類似的電響應。圖1c展示一種球粒陣列（基于此引入了3D超材料，來源于早期Lewin的工作，但更早的是100年前Gans和Happel的預測）。圖1d為陶立方排布。超材料的這種表面結構最初命名為超薄膜，表示一個表面上分布著小的散射體。值得一提的是每個散射體的都是很薄的（甚至比晶格常數(shù)?。梢杂腥我獾男螤?，可以有亞波長尺度。與超材料類似，超薄膜也可以通過其散射體的排布來有其特有的電磁特性。超薄膜又稱超表面或單層超材料。在1.1和1.2部分我們將簡化其稱呼。

對于很多應用，超表面可以用于放置超材料。超表面相對于3D超材料來說有著占有更小物理空間的優(yōu)勢，由此，超表面可以提供更低能耗的結構。近幾年，超表面在從微波到可見光波段的應用取得了巨大的成就。除了可用在上面所說的超材料的應用外，超表面還可以實現(xiàn)智能表面控制、小型化諧振腔、新型波導結構、簡單而寬角度吸收器、阻抗匹配表面和生物分子器件。下面也將會更詳細的談到其中的一些應用。

1.1 超表面與頻率選擇表面

下面說一說超材料（MM）和傳統(tǒng)光子帶隙(PBG)或電磁帶隙(EBG)結構之間的區(qū)別，另外超材料和傳統(tǒng)頻率選擇表面（FSS）的區(qū)別。第一種超材料可以使用超表面來發(fā)展創(chuàng)新。對于超材料來說，能熟知周期材料在不同頻率或者不同尺寸的電磁響應非常重要。這種復合材料可以分成三種完全不同的部分（圖2）。對于3D超材料來說，第一部分是準靜態(tài)部分。這就暗含低頻的意思（亞波長段頻率）。這種散射體將會具有誘導的或者永久的偶極柜，這也是經典材料的性質。另外，這種散射體可以通過改變形狀或者位置來獲得想要性質的人工復合材料。在這一部分，描述使用經典的材料混合來得到目標特性（介電常數(shù)、磁導率）

當波長可以與結構周期相近或者比周期小時，會有特別的響應發(fā)生，見圖2的第三部分。在這種頻率下，存在一種更加復雜的場，這就需要用更加精密的分析技術（全波方法）。傳統(tǒng)的分析方法是Floquet-Bloch理論，其中的場擴展到有各種不同方向的平面波。當波長接近周期時，就需要考慮到更高要求的Floquet-Bloch理論。這種高要求模型就會通過復合材料干擾基波的傳播，在這種頻率范圍中我們稱復合材料為光子帶隙或者電磁帶隙材料。在某種頻率范圍，光子帶隙和電磁帶隙材料會阻礙到EM波的傳播，這種頻率帶就稱為阻帶。別的頻率中，這種材料的通過率很高，這種頻率就為通帶。布拉格散射效應就是與這種頻率有聯(lián)系，它是很多實際應用的基礎。

圖2的第二部分也是處在亞波長結構，不過期單元散射體可以達到共振。這就實現(xiàn)了另一種人工材料（MM），實現(xiàn)了自然材料所沒有的特性（如雙負或近零指數(shù)材料）。第二部分，那些共振體是其成為超材料的原因所在。我們可以通過有效介電常數(shù)和磁導率來標明超材料的特性。

二維陣列（超表面）也有相似的特性。對于二維格子陣列來說，第一部分復合材料屬于經典薄膜材料，第三部分是周期性的共鳴器。另一方面講，當我們談及超表面時，就是在說第二部分的共鳴器散射體而不是周期性結構。普通的頻率選擇表面有時會是運行在這種體制下，但這種類型的操作和第三部分的并沒有明確的標出。

值得注意的是圖2所示的第二部分并不常見。這種散射體需要特別的設。例如，如果是 圖7中球形粒子的特性或者半徑非常小，或者是散射體的形狀、尺寸沒有做合適的選擇，散射體的共振將會趨向于Floquet-Bloch模型，就實現(xiàn)不了雙負材料。在Floquet-Bloch模型中散射體共振將會被吸收，這種介質模型就不能充分描述復合材料。總的來說，圖2中第一、第二部分會出現(xiàn)在某種復合材料介質的情況中。第一部分（經典混合理論），其有效特性不依賴頻率。第二部分（散射體共振），其材料具有頻率依賴特性。在這部分中，可以實現(xiàn)3D雙負指數(shù)材料和別的共振器。最后一部分中，電磁場和周期材料的相互作用非常復雜。我們不再將復合材料稱為有效介質。當波長接近結構周期時，更高要求的Floquet-Bloch模型需要考慮進去，超材料和超表面就是這樣。

1.2 超表面類型

超表面結構就是二維的周期性亞波長結構。在一般的研究中，我們將超表面列為兩類。一種是有著陶瓷拓撲結構（一種絕緣散射體）圖1a所示，稱其為超薄膜，有著很多應用。另一種是漁網結構（圖3），稱為元幕。這些材料是由在阻抗表面周期排列的孔制成。別的種類超表面基于這兩者之間。例如，平行導線光柵在垂直導線方向表現(xiàn)出超薄膜的特性，而在沿軸方向就表現(xiàn)為元幕性質。

1.3超表面模型

模擬超材料的傳統(tǒng)的、最方便的方法是有效介質理論。在這種方法中，某些類型的平均是用在超材料周期單元結構所產生的電磁場上面。從這些平均值中，可以確定超材料的有效介電常數(shù)和磁導率（以及折射率）。值得一提的是，只有當波長相對于晶格常數(shù)足夠大時候平均才是有效的。對于場的周期單元平均定義有效材料性能是正確的方法（那種勻質平均的類型），許多研究人員已經在實踐中使用根據(jù)一些計算出厚度的超材料樣品來得到期望的反射和透射系數(shù)。尼科爾森-羅斯-韋爾（NRW）的方法或它的變形，可以用于獲取超材料的有效材料性能。需要注意的是，當使用范圍是負指數(shù)材料時，標準的NRW方法必須進行修正。典型地，一個平方根的符號的選擇是由明確的通過確保在傳播方向正功率溢流。在某些情況下，還必須考慮到樣品的邊界附近局部影響。如果使用得當，有效介質的方法是用于表征超材料的很合適的方法。

嘗試使用類似的超表面參數(shù)分析很少成功。一些以前的超表面研究把其當做是單層超材料薄膜，這種模型的材料特性是任意的引入一個非零厚度參數(shù)來獲得的。這有一些人為物理結構參數(shù)的問題：這些超表面的參數(shù)特征是錯誤的。傳統(tǒng)計算方法的展開可以給我們一些提示，當以樣品尺寸建模時，必須考慮樣品邊界效應，就像兩個不同切面上的效應一樣。

為了說明其中難點，我們使用圖1中對等的厚度為d（圖4）的材料層來代替超表面。其有效特性是由上文中HRW方法所得出。問題是上述所得有效特性對于超表面來說并不唯一，雖然散射體的幾何特性和晶格常數(shù)一定，但厚度d不確定。實際上，d在合理限制中可以任意取值。由于d不是唯一確定的，所以由其而得的超表面特性也不是唯一的。因此，與報道中相反的是，把超表面看成等效介質所得的有效特性都是不合適的并且導致了錯誤的闡釋。Smith等人堅持這個觀點，認為‘εd’很可能是常量。在文獻[101]中介紹了易受影響的表面和有效特性直接的關系，認為對于超表面來說，不能定義獨立于d的ε和μ。由此說明ε和μ是d的函數(shù)，并且唯一確定。這種結果就是說d、ε和μ是任取的。也就是我們如果假定厚度也為常量就可以使用這種有效特性。但對于不同的厚度來說，這種有效特性并不適用，非平面形狀也一樣。如果我們想在一定厚度基礎上使用這種有效特性的話，那是沒問題的。從另一方面說，如何改變了厚度而繼續(xù)使用之前的特性，那就是錯誤的了。

圖5和圖6強調了這一點。圖5展示了球粒陣列中通過這種方法使用不同的有效厚度d所得的介電常數(shù)。圖6展示不同厚度下的負折射率。圖5和圖6中可以看出有效特性是厚度

d的函數(shù)，說明有效特性并不是超表面所固有的本質特性。同樣我們也應該指出通過這種方法所獲得的超薄膜或超表面的有效特性并不能展示其物理特性。例如，因果顛倒或者負材料呈現(xiàn)出大的介電常數(shù)或磁導率（在文中基于時間t假設的ejwt的正虛部）。

在文獻[100]中，論證了超薄膜表面的唯一性，由此，也定義了超表面特性的唯一性。從物理上講，超表面是一種極小的板：當電磁波與其作用是會產生相移或者是振幅的改變。這種超表面最好的定義是通過普通的板過渡理論（GSTCs），是對比于使用在超材料上的有效介質描述來說的。這種方法使用在超表面與電磁場交互作用時候，且符合廣義等效面轉換理論。

對于超薄膜來說，在文獻[23]中所述廣義等效面轉換條件與超表面的兩個面上的電磁場有關（見圖1a）：

式中av代表超表面兩邊的平均場，t為到z的距離，是單位矢量。?ES和?MS分別是兩

....表面的電場和磁場。這有著計量單元，并且與散射體的電磁極化密度相關。當散射體有缺失 這種性質會消失并且方程（1）中E和H的非相關條件將會減少。簡便起見，我們認定散射體和晶格對稱，則表面并失如下：

在這篇文章和文獻[101]中，我們對于?MS有一個約定，在H場中右邊項前加一個負號，而E場右邊項加正號（見方程1）。這種符號約定與文獻[100]中不一樣。我們選這種約定是因為當表面磁密度與H在同一方向時Re(?MS)為正，這也是經典磁材料特性定義的組成部分。這種廣義等效面轉換條件可以應用在更多的方面，如不對稱性、不均材質、以及雙各向異性表面，而且這方面的理論已經有了發(fā)展。值得注意的是方程1的約定條件僅適用于超薄膜。具有不同結構的超表面將需要其他的理論條件。例如，周期性隔離孔組成的元幕有著零厚度理想導體，這與廣義等效面轉換理論相悖，這可以寫成：

其中E場和B場在元幕中是連續(xù)的。這里，?ES和?MS分別是元幕的電特性和磁特性，并且，與超薄膜表面相似，它們有著長度。當孔不存在時，就只剩了理想導體平面，那些由孔引起的電、磁特性將會消失，并且方程3中電場E的切量會減小。元幕的經典邊界條件還沒有定義出，還需要補間斷的工作來發(fā)展。像導線光柵這種擁有超薄膜和元幕兩種特性的超材料的邊界條件也一樣需要發(fā)展（在[102][103]中廣義等效面轉換條件應用在了薄導線光柵上）。

廣義等效面轉換條件同樣可以用于阻抗邊界條件。對于平面波電磁的變量，它是平行于超薄膜的

....我們可以利用麥克斯韋方程將方程1寫成：

其中表面轉移導納和轉移阻抗由下式給出：

這種邊界條件也可以等效成傳輸線電路。

這種廣義邊界條件可以讓超表面可以有一個有著無限薄等效表面的模型。表面幾何的細節(jié)包含在表面特性的邊界條件中。應用在廣義等效面轉換條件中的場是一種宏觀場，相比于散射體、孔和晶格來說，其并不具備長度，但當波長在介質周圍是它就有著更大的值。值得注意的是，這種廣義條件由于方程1和3中表面梯度的影響而存在著誤差。如果表面特性可以使用矢量波（沿波的傳播方向）來計算的話，這種邊界條件的計算將更加精確。

如果不需要空間場變量的精細的結構的話，這種廣義等效面轉換條件和麥克斯韋方程一樣都需要分析場與超表面的相互作用。這種邊界條件中的表面特性是位移確定的，并且可以作為描述超表面的物理量。基于這種模型的檢索技術將在下部分來描述。

1.4 超表面的特性

如上部分所述，超表面的有效特性和磁導率（與負折射率相同）并不唯一確定。這一部分我們將綜述一種超薄膜的唯一的特性，主要是基于反演其反射和傳輸系數(shù)來獲得。超薄膜的反射（R）和傳輸(T)系數(shù)不管是對于TE或者是TM波（圖7）都來源于文獻[24]。

對于TE波來說：

對TM波來說：

其中k0是真空波矢。這種反射和傳輸系數(shù)可以用于有著足夠對稱性反射體的超薄膜上。同樣的方法也可以用于更多非對稱不規(guī)則表面特性，如元幕或更多普通的超表面。這些理論尚有待發(fā)展。

一旦確定了表面的反射和傳輸系數(shù)，表面特性就確定了。在這個實例中，每個偏振波都需要兩種R和T系數(shù)。對于TE波，其三個未知特性的推導如下：

其中R(0)和T(0)是正入射波的反射和傳輸系數(shù)，R(θ)和T(θ)是以θ角入射波的反射和傳輸系數(shù)。而對于TM極化波，其未知特性的推導如下：

在文獻[100]中的符號錯誤已經在上式中修正。同樣文獻[101]也做出了修正。

這種方法既可以從理論上又可以從實驗方面確定R和T的值。而對于普通入射測量技術來說，很難分辨其入射和反射成分，如果入射角不為零則結果會好很多，祥見文獻[100]。有趣的是，當推斷超材料模型的有效特性時，這種反演方法來求解超薄膜特性既不用特定的取符號的平方根，也不需要假定表面層的厚度。

為了確認超薄膜這種反演的特性，我們引入一種球粒型超薄膜如圖1c。其中a=10mm, p=25,59mm, εr=2, μr=900, tanδ=0.04。這種結構的極化度是可解析的，因此其表面特性可以根據(jù)文獻[100]給出的方程計算。如上所說，可以通過設置不同的R,T來確定未知量，文獻[100]給出了一些方法。

Figure 8.The surface susceptibilities for a metafilm composed of spherical particles.圖8所示?ES和?ES的實部和虛部。其結果是通過30入射角的數(shù)值仿真所得的R和T。

0zzyy超薄膜模型是球粒陣列，有著對稱傳輸陣列（）。同樣圖中也給出了文獻[100]分析結果。通過對比，這種反演方法所得結果和方程計算結果一樣。

上述例子和文獻[100]都說明了反演方法的正確性。更重要的是，這種計算結果說明了超薄膜特性是唯一的。

超薄膜也可以用來計算3D超材料的有效特性。在這種技術中，和上面一樣，超薄膜的平面波反射和傳輸系數(shù)用來計算表面特性。通過文獻[23]中應用，之后就可以獲得單個散射體的極化率。通過把這種超薄膜嵌入三維超材料里，就可以通過Clausius-Mossottii關系來得到有效介電常數(shù)和磁導率。這種技術是一種很有用的計算標準參數(shù)的方法，尤其是當波在一個很小的多層樣本中傳輸時候。

在本文的其他部分，我們將討論近幾年超表面的各種應用?？烧{表面

對于一個給定的超表面，我們可以通過很多商用模型來分析它與電磁場的反應。然而，如我們所見，可以通過廣義等效面轉換條件來獲得平面波的傳輸和反射系數(shù)。對于超薄膜，適用于方程7和方程8.這些特性與超薄膜的表面特性有關。這些方程的好處是可以讓我們從物理方面洞察表面特性與反射、傳輸系數(shù)的關系。方程7和方程8闡釋了通過控制表面的反射和傳輸系數(shù)可以改變表面特性。

以方程7和方程8為例，我們可以寫出在全反射或者全透過時電、磁特性的關系。在全反射時：

而對于全透過時所需的條件是：

理論上控制反射和傳輸系數(shù)可以通過以下機制來完成：1，通過改變散射體的電磁特性；2，通過改變基板（材料特性或者幾何構造）的結構。以球磁粒子組成的超薄膜為例，圖9所示為R關于散射體磁導率的曲線。圖中可以看出，基于散射體磁導率的變化，超薄膜從全反射變化到了全透射。這種可控表面已經實現(xiàn)，其組成是由球形YIG粒子所組成的超薄膜，控制激勵是外加DC磁場。圖10所示為這種超薄膜的傳輸特性隨外加DC磁場的變化。一些其他的方法也已經可以用來控制超表面，并且在動態(tài)控制領域也有許多研究在開展，我們將在第7和第9部分做討論。各向異性超表面：角獨立特性、吸波器和阻抗匹配表面。

各向異性散射體所組成的超薄膜可以用來獲得與各項同性超表面所不同的很多應用。這些應用中的一個有趣的體超材料是在其內設計出各向異性的表現(xiàn)。實際上這個主意來著隱身斗篷材料，其有著很大的關注度。這種材料是通過在超材料里設計各向異性材料來設計的，覆蓋有這種材料的物體可以使光在其表面?zhèn)鞑セ蛘邚澢?。經過合理設計的各向異性超材料可以達到既不散射又不吸收能量，這樣就可以在電磁波里實現(xiàn)隱身效果。現(xiàn)在可以在理論上實現(xiàn)從射頻到可見光的隱身。但由于材料和結構的本質屬性，在獲得寬帶隱身效果來說還有著技術難點需要突破。試驗證明窄帶單偏振的隱身實例已經可以實現(xiàn)。

同樣，這種概念也可以擴展到超表面中。在這個設計中，其表面設計將選用散射體所組成的超表面來達到期望的性能。例如，理論上可以可以設計出一種超表面來達到將EM波聚焦到目的區(qū)域，與聚焦天線陣列很像。如果可以按照期望的控制超表面的散射體，就可以得到一種能夠改變能量聚焦所在的方向和頻率的超表面，這種概念現(xiàn)在正在研究。

另一個例子是怎樣獲得不依賴角度（至少是某種參數(shù)范圍中）的反射和傳輸系數(shù)。對于一個給定的入射角，方程13給出了在發(fā)生全反射時表面電和磁的磁化系數(shù)。方程13給出了一種可以在這種全反射狀態(tài)下獲得近似角獨立的結構。以TE波為例，當?MS>>?ES時，角依賴性被削弱，這是基于方程13中圓括號前部分控制第二角依賴部分。同樣地，對于TM波，當?MS>>?ES時,其角依賴性同樣變弱。當超薄膜的散射體結構達到諧振頻率時，會產生這種性質。當所指部分占優(yōu)勢時，方程13中全反射條件變成： yyzzzzyy

如果超表面設計成這種傳輸成分的表面特性的共振相比于普通成分來說非常高，則這種超表面或許會產生角獨立特性。這種特性在圖11中闡釋出來，其中我們畫出了超表面的反射系數(shù)，這個超表面是由圖1b所示金屬結構組成。在圖中可以看到這個表面在600入射角處獲得近似角獨立。

我們可以將這個概念擴展到很多其他的結構上。例如，具有高的各向異性材料的板也可以獲得角獨立特性。文獻[61]展示，這種特性可以通過檢測不同各向異性基板的反射系數(shù)來觀測。另外，引進計算電磁學中的完美匹配層（PML）可以減少輻射邊界所產生的誤差，同樣它也需要這種角獨立特性。這種PML可以通過超表面的理念來實現(xiàn)，這種課題正在研究中。

這種結構為發(fā)展緊密的電磁吸波器提供了可匹配的能耗材料，并且使獨特的阻抗匹配表面得以實現(xiàn)?；谶@種想法的吸波器最近開始出現(xiàn)在文獻中[53-58]。這種結構通常由覆蓋有金屬板的能耗基板和其前部的超表面組成（圖1b的第二幅圖）。這種結構或許會是窄頻的，但它同樣也是很緊湊的。使用超表面的這種結構的另一個優(yōu)勢是它有著很好的角獨立特性，這在理論和實驗中都是已經證明的了。對于角獨立特性的物理說明如上述或者文獻[60]。

不同的團隊同樣也研究了超表面在阻抗匹配表面的應用。與圖12a所示的金屬陣列相似的結構已經被用來制作寬角度的阻抗匹配表面。這種結構具有高各向異性，可以使角獨立特性得以實現(xiàn)。這種薄各向異性超表面的反射特性在圖12b中展示。諧振器尺度的優(yōu)化

Engheta展示了當孔中部分填充負折射率材料時候，在λ/2尺寸規(guī)模的諧振器結構的尺度還可以再減小。文獻[35,36]中擴展了這個理論，使用超表面也達到了同樣的效果。利用超表面的優(yōu)勢是可以理論上比利用3D超材料所實現(xiàn)的尺寸要小。距離為d的兩個金屬板之間放置超表面，達到共振所需要的相位匹配條件是

當?M??0時，n=0不成立。通過這個方程，可以看出如果合理設計超表面的話，諧振器尺寸可以超越λ/2波長的限制。

例如，一個由兩金屬板及其之間的方形片狀物構成的超薄膜。圖13所示為三種不同板的諧振頻率關于l/p（p為周期，l為單個方形物的尺寸）。當l/p=0時，就是經典結果d=λ/2。對于一個給定的d來說，電容性超表面可以很大程度上減小諧振頻率，或者是減小諧振器尺寸以得到期望的諧振頻率。方形片超薄膜諧振器的頻率減小在表1中展示，周期p=500μm。在表中，對于不同的l/p值列出了相對應的減少值。這個表的結果展示了這種結構可以減少共振器尺寸高達56%。如果經過精細制作超表面散射體的極化特性，還可以達到更好的減少尺寸效果。實際上通過控制超表面的特性可以實現(xiàn)頻率靈活的諧振器。波導

對于一種入射波來說，超表面可以經過特殊設計來使其發(fā)生全反射，這就使俘獲并傳輸電磁能到兩個超表面之間成為了可能。圖14闡釋了波導的一些現(xiàn)象（與圖7不同的結構使其具有了沿z軸方向傳播的性能）。假定波導方向沿z軸，??k0sin?，對于TE模型，從方程13可以看出傳輸常量須符合下式以達到全反射

對于漏模來說，這個常量通常很復雜。如果所選超表面滿足上述標準并且β一定，則x方向的傳輸波數(shù)如下

兩超表面的間距d

其中虛部ne越小越好，需要滿足

和

（后者條件是由于在接近兩個超表面時候模型將表現(xiàn)出一種表面波特性，很可能會增加其衰減）。對于TM模型類似的方程也在文獻[37]中提出了。

這種波導可以使其變得簡潔，使用更少的材料，更低的輻射能耗。如果超表面由聚合物組成，則也可以得到一種柔性的波導結構，再加上合適的超薄膜的話，可以實現(xiàn)柔性低損耗的波導，在THz頻段有著很大的應用潛力。這可以用來設計智能可調頻率靈活的波導結構。超表面上的復合波和表面波

有著傳統(tǒng)電介質片的超表面在適當?shù)臈l件下也能支持表面波的傳輸。然而，與傳統(tǒng)介質片不同的是，通過設計超薄膜散射體特性，可以同時產生向前、后的表面波以及復合波。實際上，可以通過適當調節(jié)散射體來使表面被或者復合波只在指定的頻率出現(xiàn)。在文獻[109]中給出了詳細的平面波的產生。超表面上線波源的反射系數(shù)的極值是超表面表面特性的函數(shù)。如果這些極值確定，在不同條件下表面?zhèn)鬏敳ǖ膫鬏敵Ａ坑上率浇o出

式中βs在表2中給出，數(shù)據(jù)為電波線源的不同條件，對于磁波，見文獻[109]。當表面磁化率符合其中一個條件時，就會激發(fā)表面波或者復合波。圖15闡釋了頻率激發(fā)的超表面平面波或者是復合波。數(shù)據(jù)顯示當磁波線源放置在球粒陣列上方時電場的大小。圖15a展示一種表面波的激發(fā)。圖15b展示復合波的例子。通過改變散射體的特性，表面磁化率也隨之改變。由此，從表2中看出，在任何想要的頻率下產生表面波或者復合波都是理論可行的，同樣也適用于頻率靈活的波導結構。

Figure 15.The magnitude of the E field(on a linear scale)from a magnetic line source placed 45.49mm above an array of spherical particles:(a)f=1.42GHz,one surface wave;and(b)f=1.5GHz,complex mode THz器件

可調表面可能有利于THz頻段的設備和構成?；旧峡烧{表面是通過改變電環(huán)境、電流或者元件環(huán)境來實現(xiàn)的。當電環(huán)境 改變時（通常由散射體內半導體引起），這就是混合超材料。THz頻段范圍內可調超表面具有舉足輕重的地位。這主要是由于實際應用中缺乏THz技術。使用在微波和光子波段的器件，比如開關和調節(jié)器，并不能再THz范圍內使用。一個主要的挑戰(zhàn)在于找到在THz波段可調并有強的響應的天然材料。

眾多的實例證明THz超材料具有這種優(yōu)勢。THz超材料有利于更高的調節(jié)能力、簡單的工藝、低損耗和動態(tài)調控。第一個動態(tài)調控的實現(xiàn)是利用近紅外激光通過調節(jié)超表面基板的電導率來調節(jié)諧振響應。模型由銅開口環(huán)諧振器和高阻抗砷化鎵基板組成。激光照射之后，砷化鎵帶隙激發(fā)傳導電子，使其具有類金屬性質。這就使開口環(huán)諧振器的電容帶隙發(fā)生短路，以此調節(jié)器基礎諧振功能及改變超表面的宏觀響應。這個觀念可用短載流子壽命的半導體來展示，它可以實現(xiàn)極快的調節(jié)，開關功能可以在20ps實現(xiàn)。光控很快被電控所取代。這里，通過分子束外延生長出的適度參雜的砷化鎵層，其上排布金開口環(huán)陣列而形成一個肖特基結。超材料陣列被歐姆接觸環(huán)繞，以實現(xiàn)二次電連接。由于參雜的砷化鎵不足引起諧振，在自然狀態(tài)超表面沒有諧振。施加偏壓后，開口環(huán)在接近砷化鎵帶隙區(qū)域形成增大的耗盡區(qū)。這在開口環(huán)區(qū)域形成了一個絕緣的帶，重置了諧振效應，因此改變其宏觀特性。使用這種方法實現(xiàn)了調幅和相位調制，其中一個根據(jù)是Kramers-Kronig關系。盡管開口環(huán)諧振器應用存在窄帶寬的缺陷，但寬帶的調制是確實存在的。這是固態(tài)THz斬波器實現(xiàn)的起源，其可調制頻率達到30kHz，通常THz束受限于1kHz。這實例形象的闡釋了在室溫下調制THz波的改進。

別的許多THz調節(jié)器也通過可調諧超材料實現(xiàn)了。這包括頻率可調超表面，其中諧振頻率可在近紅外波段調諧。圖16所示為開口環(huán)結構里植入了硅元。其自然狀態(tài)下，硅是絕緣的，因此對于整個開口環(huán)結構來說其所增加的電容只有很小的數(shù)值。加入激勵光，半導體顯示器類金屬性質，開口環(huán)電容增加，由此導致諧振頻率降低。其中的創(chuàng)新點是，與以前的調諧不同，這種不需要損壞開口環(huán)。這既證明了可動力調諧諧振器，也使一種新的頻率調諧結構成為了可能，這種結構可以使寬帶THz入射波調制成1/2的頻率窄帶輸出。

可調THz超表面仍在新應用以及新結構上發(fā)展。調幅也被用在更精細的應用上如空間光調制和量子激光調制?？烧{超材料也可以用另外的方法來得到，比如MEMS，其中開口環(huán)制作在懸臂上使開口環(huán)可以通過溫度的改變來調節(jié)共振頻率。別的溫度調節(jié)方法也在研究。有一種是通過溫度改變半導體載流子濃度，然后可以在THz范圍來改變其電容率。制作在一個基板上的超表面可以作為一個溫度調控功能的應用。其他的方法中，二氧化釩也可以作為其基板。隨著溫度的變化，二氧化釩由金屬向絕緣體轉變，特別是其電介質特性的變化，由此也引起宏觀超材料共振的變化。有一種有趣的記憶超材料也由這種概念得以發(fā)展。這里，二氧化釩的磁滯特性使電介質特性溫度可調成為現(xiàn)實。制作在這種基板上面的THz超表面可以得到持久的共振頻率，可以制作成電磁響應記憶材料。

近來的研究，HTz超表面通過改變諧振器的環(huán)境可以實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)，其實現(xiàn)是通過在超表面的表面鍍電介質層。這種想法可以用來實現(xiàn)遙感技術，因為超表面諧振器鍍電介質環(huán)境的改變非常敏感，特別是對于開口環(huán)帶隙處來說。這種觀念擴展到了微波頻率，流體也使用在了可調表面、生物分子感測和微波輔助化學方面。這將會在后面詳細的談到?？梢姽獬砻?/p>

提到這部分，我們僅僅談論到超表面在射頻、微波和THz的應用。很少有應用在可見光波段的超表面。在最近幾年，相對于射頻和微波頻率，可見光波段的超材料研究具有更大的魅力。在可見光頻率對材料實現(xiàn)自由的電磁控制使其可以解釋新的現(xiàn)象包括optical magnetism，負折射和超透鏡。在可見光頻率，由金和銀的納米結構激發(fā)的等離子諧振器提供了同時控制超材料的電矩和磁矩的方法。這種結構包括等離子納米結構、球粒、有縫金屬薄膜、金屬漁網結構和雙層或者單層開口環(huán)諧振器。由于其在可見光頻率的所具有的高吸收特性和等離子材料，可見光超材料與實際應用緊密的連接在一起。同樣的，克服等離子體損耗也被列上日程。這種結構在新的特性和器件方面展示出很強的活力，如可見光調制頻率選擇表面和受激輻射所產生表面等離子體的應用。另一可見光超材料、表面的研究是納米傳輸線。

受限于制作規(guī)模，可見光超材料常常會單層二維散射體陣列，也就是超表面。很多發(fā)表出來的關于可見光超材料的東西也就是期望的可見光超表面。如上述，應用體超材料須謹慎，廣義等效面條件為可大范圍的應用在可見光方面的二維散射體陣列提供了獨特的描述。由此，這也是一種描述超表面的更為合適的方法，而不是使用那些適合描述體材料的方法。

盡管大部分所謂的可見光超材料就是超表面，我們也要提及最近的實現(xiàn)真正3D可見光超材料的研究，其中體特性如介電常數(shù)、磁導率和折射率可以合適的并且唯一的確定。創(chuàng)新的制作技術如壓條發(fā)及堆垛法可以實現(xiàn)散射體的空間陣列。例如，有負折射率材料所制成的棱鏡已經實現(xiàn)了光的負折射現(xiàn)象。用于可調表面、輔助化學及生物分子傳感器的微流體

超材料和超表面有一個缺陷，就是在期望的頻率范圍可使用的頻帶很窄。然而，這種缺陷在某種應用上也可以變成優(yōu)勢。有三種這樣的應用如流體調諧表面、微波輔助化學和生物分子傳感器。

9.1 流體調諧表面

超材料和超表面的高共振特性為這種結構提供了可調諧頻率響應。擾動超表面的電或磁響應可以實時的實施，由此可以改變材料的有效響應。在第2部分中提到可以通過改變磁偏場來改變球粒超表面的磁電介質的極化，在第7部分也提到了在THz頻段的應用。然而，許多超材料和超表面電磁特性從屬于其金屬的幾何結構。除了其幾何尺寸以外，這種金屬的極化率也受等離子諧振引起的電容或者感應特性的影響。電連接諧振器提供了一種直接控制電容響應的方法，通過電帶隙中材料的電特性來實現(xiàn)。一種實現(xiàn)這種控制的方法是使用不同的液體來填充縫隙。

圖17所示為一種電場耦合諧振器，所使用是流體調諧表面來使其運行在S波段（2.6GHz-3.9GHz），其尺寸如下：t=w=0.5mm, d=9.5mm, l=5mm, g=0.15mm.如果單元結構具有合適的導向，則這種單元結構很容易受入射波電場的激發(fā)。

制作在超表面上的單元結構具有以下誘人的特性：a 基于平面工藝，并由微波電路、聚乙烯和微流體管道組成，b 通過流體管道可以同時控制電容性縫隙，由此可以允許多種單元結構公用流體管道，c 可以使流體管道直接與單元結構的電容性縫隙接觸，這就有利于縫隙中激發(fā)的電場與流體管道的耦合。

圖18所示為一個3*6的方向陣列組成的流體調諧超表面。單元結構的周期是11mm。圖19所示為通過72 x 34mm S波段的波導激勵下的仿真響應。這個仿真是使用Ansoft HFSS實現(xiàn)的。

這種3x6陣列通過Duroid 6002 高頻壓制成0.017mm厚的銅板覆在0.508mm厚的基板上，可以用來研究流體調諧。流體管道由聚合物制成。聚合物管道通過氰基丙烯酸鹽粘合劑粘貼在超表面上。圖20a展示了一種有聚合物管道并穿過縫隙的超表面。圖20b展示了由金、玻璃和聚乙烯管道構成的另一種結構。

這個超表面陣列由填充了2/3波導區(qū)域的聚苯乙烯泡沫支撐，被用作超表面的把手可以方便其移動，可以更快的填充流體管道。之后波導的輸入和輸出就連接到矢網分析儀上來校準。經過校準之后，我們測量了在波導2.6GHz到3.95GHz散射體的參數(shù)。這種方法對反射系數(shù)測得的不確定度是?|S11|?0.02。

管道中有沒有流體的測量可以用來定義傳輸共振。有著相對介電常數(shù)為81的去離子水被用來測超材料調節(jié)頻率的能力，在S波段其具有易操作、低揮發(fā)、高介電常數(shù)和低損耗。流體管道使用注射器填充。圖21是實驗中波導下的超表面。

圖22為其實驗結果。結果證明其在150MHz的調諧能力。具有代表性的是，在有和沒有流體填充時其反射發(fā)生了明顯的滑移，從3.75GHz到3.6GHz。對于圖19的仿真結果與圖中沒有填充水時結果的不一致估計來源于工藝錯誤。另外，附加的噪聲擾動也來源于工藝的不均性及周期誤差，還有來源于管道與超表面粘結出產生的干擾。將來，工藝方面的進展將會減小這種誤差。

此外，除了這種流體調諧作用，通過改變管道中流體而改變共振特性也是一種新的方法。這種方法以及應用在了制造業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥和化學工程。超材料或超表面在感測和影響的應用將會在后面做更細的論述。

9.2 微波輔助化學

處在諧振狀態(tài)的超薄膜可以在單元結構里存儲電磁能。這種特性可以用來增加電磁場與流體管道中流體之間的相互作用?，F(xiàn)在有很多研究將微波能量來催化化學或者生物反應，其中有許多是得益于超薄膜來增加電磁場與流體的相互作用。這里所說的超薄膜方法對于反應來說非常重要，這種方法是通過控制反應物的流動來控制其化學反應，流體中的能量可以通過調節(jié)電磁波的頻率和能量來控制。由于超薄膜陣列的諧振頻率可以通過單元結構的形狀和排列來調控，有不同諧振頻率的不同超薄膜可以通過單一波導的不同頻率來產生激勵。上面所說的超表面結構可以證明流體調諧性，也被研究用于集中波導的電磁場。

S頻段波導產生激勵時在波導中對電磁場強度做了仿真。每輸入1W3.29GHz波源，其中所計算的最大場強是800V/m。將超表面放入同一個波導中心，最大場強達到125000.這就加強場強至少有兩個量級，對于吸收增強了至少四個量級。圖23展示了處于單元結構中心的電場結構。

圖23所示電場結構證明了超材料結構在精確傳輸電磁能量方面的能力。上面所說的流體調諧超材料明確的證明了流體管道與組成超表面單元結構縫隙的相互作用。由此可以想象得到這種覆有流體網絡的超表面通過流體管道可以用于精確傳輸微波場，這可以用于輔助化學反應。

9.3 生物傳感器應用

上面所說的流體調諧超材料可以擴展到實現(xiàn)高的諧振頻率以及小片結構的傳感應用。單一單元結構可以實現(xiàn)一種環(huán)形或者網格超材料，這可以制作小巧傳感器以用于醫(yī)藥應用，在液體中計算細胞數(shù)或者監(jiān)測反應。圖24就是這樣的一種例子。兩個開口環(huán)連接在一起成一種共面波導結構。單元結構縫隙處連接一個流體管道，用來調節(jié)對單元結構電容的影響。通過改變管道中液體的電磁特性，可以調諧共面波導結構的傳輸特性。

圖25是這種結構的仿真結果，流體的相對介電常數(shù)從81變到58.當流體改變時，反射系數(shù)滑移幾十個MHz。這種通過使用一種流體管道來影響諧振特性的能力使小巧傳感器的實現(xiàn)成為了可能，這種傳感器可以應用于生物傳感比如計算細胞數(shù)或者流體的細節(jié)。未來或許會實現(xiàn)這種類型的傳感，定義電容率的微小變化以及使用儀器計算微粒。同樣，別的類型的小巧傳感器也將會繼續(xù)研究，這將對綜合的傳感器件發(fā)展有莫大好處?，F(xiàn)行的研究主要在將這種概念應用在流體中測定和計算微粒，如白細胞數(shù)。

結論

超表面是3D超材料的另一種補充。由于二維超表面的特性可以使其占用更少的物理空間因此可以有更小的損耗。我們指出有效特性模型可以適合于三維超材料，同時對于超表面和超薄膜來說，有效表面電、磁極化率會有更合適的效果，其中這些表面電、磁特性與組成超表面的散射體密切相關。在這篇文章中我們討論了從微波到可見光波段超表面的不同應用。所談及的應用只是現(xiàn)實的小小的小部分。同時提出了一些超材料可以使用的新的方面，并為超表面在新領域的應用打開了希望的大門。這里提及的分析工具使我們可以在新的應用中對建模、分析和生產有了可用之法。

那么什么是一維超材料呢？二維超表面的概念可以延伸到一維，僅僅使用線性單元而不是方形或者其他形狀，也就是說僅僅使用一種單一的亞波長諧振結構來實現(xiàn)期望的效果。實際上，這種概念已經有了一些新的應用。具有代表性的應用是一種使用單元結構設計的電力小巧天線。在這個天線應用中，單元結構充當天線的輻射元件的一個寄生元件，可以用來將電力小巧輻射單元與傳輸線和自由空間。納米微粒同樣用于所謂的調諧可見光納米天線。另一個例子是將一維單元結構用作平面?zhèn)鬏斁€的調諧結構，就像圖24所示的傳感器一樣。另一種新興的應用領域是將一種一維納米微粒鏈用作波導來支持表面波。

然而更多的工作需要繼續(xù)來加強對超材料和超表面的理解、分析、設計以及制作技術，我們看到近些年超材料和超表面的發(fā)展帶我們走近了一百多年前Lamb,Schuster,Pocklington所作出的預言。這些材料發(fā)展永遠的改變了射頻、微波、可見光和光子在未來的應用。