- 文献综述（或调研报告）：
超材料是一类具有特殊性质的人造材料。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们通常的性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的设计思想和方法很有可能成为发掘材料新功能、引领产业新方向，提高材料综合性能、突破稀缺资源瓶颈的有力手段。因此引起了国内外的关注，美国的科学家制造出一种反弹陶瓷管，相比传统脆而硬的陶瓷，这种反弹陶瓷管在被压缩50%后还能复原。这种陶瓷将在“普通物质无能为力的地方大显身手”，如航天飞机或者喷气式发动机的隔热设备。北卡罗来纳州的杜克大学（Duke University）和伦敦帝国理工学院（Imperial College）的研究者成功使用超材料让一个物体在微波射线下隐形。在德国，科学家已经使用一种叫作“径直激光平版刻录”技术制成由微型塑料棒构成的隐形材料片。将上述隐形材料片覆盖在物体上，在红外照相仪观测下，隐形材料改变了覆盖物周围光线的速度，从而使覆盖物和被覆盖物一同消失。相比于不少国家相对分散的发展模式，中国在超材料领域的发展模式则更加聚焦和有力。我国已分别在863计划、973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料以及声波负折射等基础研究方面。
与三维体超材料相比，平面超表面能够在更紧凑的空间内操纵电磁波，从而可以有更小的体积和更容易的制造[2]。因此它具有巨大的应用潜力，并且近年来引起了极大的关注。超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。超表面可视为超材料的二维对应。根据调控的波的种类，超表面可分为光学超表面、声学超表面、机械超表面等。光学超表面是最常见的一种类型，它可以通过亚波长的微结构来调控电磁波的偏振、相位、振幅、频率等特性[10]：
- 超表面对偏振的调控。在偏振方面，超表面可实现偏振转换、旋光、矢量光束产生等功能。
- 超表面对振幅的调控。超表面可以实现光的非对称透过、消反射、增透射、磁镜、类EIT效应等。
- 超表面对频率的调控。超表面的微结构在共振情况下可实现较强的局域场增强，利用这些局域场增强效应，可以实现非线性信号或荧光信号的增强。在可见光波段，不同频率的光对应不同的颜色，超表面的频率选择特性可以用于实现结构色。
- 超表面对相位的调控。相位是电磁波的一个核心属性，等相位面决定了电磁波的传播方向，一副图像的相位则包含了其立体信息。通过控制电磁波的相位，可以实现光束偏转、超透镜、超全息、涡旋光产生、编码、隐身、幻像等功能。
超表面的基本理论是基于广义斯涅尔定律，超表面利用相位突变的梯度进行波束调控，实现反常折射和反常反射。广义斯涅尔定律可以表示为[9]：
(1)
(2)
其中等式1为广义折射定理，等式2为广义反射定理，、、分别入射角、反射角、折射角，为相位突变量的梯度，通过这两个等式可知，设计具有一定相位突变梯度，即可实现波束调控。
最初崔铁军教授等人提出数字编码可编程超表面[8]到现在经历了快速的发展。这些结构最初被提出来是通过设计两个反射相位差180度并且被记为0/1的不同的编码元件来实现数字化地控制电磁波，这个概念可以从1比特拓展到多比特配置。举一个例子来说明，一个2bit的编码超表面使用数字“00”、“01”、“10”、“11”来指代对应的反射相位为0度、90度、180度和270度的四个编码元件。因为在单元件和系统设计中反射相位的数字化离散大幅地减少了参数搜索空间，所以数字编码超表面极大地简化了设计和优化了过程。通过在二维平面内排布预先设计地编码序列，超表面可以简单有效地操纵电磁波。编码超表面的应用场景不仅仅局限于微波频段，在进一步研究后，是可以拓展到太赫兹乃至声学场景的。数字编码超表面最大的意义在于，它在物理世界和数字世界之间建立了一座桥梁，使得从信息科学的视角重新审视超材料变为可能。其中最重要的是，对超表面进行数字描述的有源元件是适合集成在一起，比如PIN二极管、容变二极管和微机电系统（MEMS），这给编码超表面带来了极高的可集成特性[3]。其中，使用PIN二极管作为设计材料的，只能拥有两种物理状态，可用0/1来表示这两个状态；容变二极管可以在电压源的控制下进行连续的变化，这与PIN二极管的离散状态时不同的。我们可以通过给二极管施加不同的电压来改变二极管的状态进而改变超表面的状态，使设计好的超表面在不同的电压作用下产生不同的反射效果，通过改变电压源的电压就可以使得数字编码超表面在各种状态之间切换，以此达到通过编程来控制超表面的目的。因此，数字编码超表面的所有编码元件都可以用FPGA来独立控制各个元件的电压，通过改变FPGA里面存储的编码序列就可以能够实时地切换不同地功能，从而实现可编程超表面。
基于可编程超表面的理论，使用变容二极管设计了一个时域数字编码超表面来实现对谐波的相位和幅度的独立控制。通过控制并入到元原子中的变容二极管的偏置电压，可以获得负责调节谐波强度的周期性时变响应系数。同时，可以仔细选择元原子的切换函数的时间延迟来修改谐波反射相位，从而可以采用超表面来重新形成多个谐波的波前。对谐波的控制可以由以下等式表示[5]：
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