1，1968年，前苏联物理学家Veselago首次从理论上预言了在负介电常数和负磁导率材料体系中，电磁波的相位传播方向与能流方向相反，电场、磁场与波失之间不再遵循固有的“右手定则”，而是满足“左手定则”定律[10]。
2，1996年和1999年英国帝国理工学院Pendry教授相继提出利用周期性金属线阵和开口谐振环(SRR)在微波频段分别构造等效负介电常数和负磁导率[3,4]。
3，2001年，加州大学圣地亚哥分校的Smith博士等人，通过巧妙地将可印刷的金属细线和SRR结合，首次从实验上观测到了负折射现象，实验样品如图1-1所示[6]
4,2001年之后的几年中，由于科学家构造的左手媒质工作在谐振频率附近，带宽很窄，损耗很大，左手媒质实际应用不多。
5，随着研究的深入，单元结构参数已经不限于实现左手媒质，还包括构造具有其他本构关系的等效媒质，这就为后续应用超材料实现新型电磁功能器件创造了基础。
6,2006年变换光学提出之后[22,23]，利用超材料精确操控电磁波传播成为现实，催生了一大批新颖的超材料功能器件，包括：
8，超材料对电磁波进行调控的基本原理：
超材料对电磁波的调控依赖于折射率在空间变化的累积效应，即构造的超材料是三维的，有一定厚度的，这就使超材料存在损耗高和加工装配复杂的问题。
损耗高会导致超材料的设计就有困难，更不要说物理加工了
加工装配复杂则是另一个让研究者们着急的问题，不实用！！理论上设计的东西，现有加工技术加工不出来，技术无法落地，很痛苦。
三维超材料较难与现有系统高度集成和融合，阻碍了电磁超材料的发展和实际应用。
9，基于第8点提出的超材料的缺点，科学家们发展创造了超表面！
10，超表面的定义：
超表面是指将亚波长人工单元按照一定阵列准则排布在二维表面上，形成具有特定电磁调控功能的超薄复合结构[35,36]。
11，超表面相对于超材料的优势：
1，超表面一般为单层结构或极少数几层级联结构，体积小、重量轻，有助于器件小型化，且一般比三维体状超材料的损耗小。
2，电磁超表面可采用成熟的印刷电路板工艺加工，成本低、制作方便，有利于实用化和工程化，并且可通过光刻技术加工制造微纳光学超表面。
3，由于超表面很薄，超表面更容易与其他电磁装置共形，实现集成化设计。
4，超表面的研究不仅可以探索新奇的物理现象，也可以在多种实际场景中得到良好应用。
12，超表面的分类：
（一）、无源静态超表面
发展历史：
1,1999年美国加州大学Sievenpiper教授提出“蘑菇云”型二维电磁带隙表面，用于调控不同模式表面波的传输[37]。
2,2003年，Pendry教授通过在金属上开周期性方孔，首次在微波频段实现了表面等离激元传输[38]。
3，随着Pendry教授在金属上开周期性方孔以后得几年，科学家大部分都在研究二维表面上刻蚀人工结构来调控电磁波[39,40]。但是不管是从对表面波还是空间波的操控，由于受到超材料固有研究体系的影响，前期人们依然是从等效媒质参数（如表面极化率，表面阻抗等）视角出发来设计和研究超表面，研究的超表面内部的每个单元都是相同的，具有同样的电磁响应。
4,2011年，哈佛大学Capasso教授课题组打破超表面的固有设计方法，提出了广义斯涅耳定律，并基于该定律设计了非均匀分布的超表面（如梯度超表面），展现了对电磁波的非均匀调控[41]。
在该研究中，首次引入相位突变这一全新思想，通过控制设计的“V字型”单元结构张角和朝向，即可在超薄分界面上实现交叉极化电磁波360°全覆盖的相位调谐。在二维平面上灵活排布不同形态的V字结构，能够获得不同的相位分布，从而实现电磁波异常折射、聚焦和涡旋波产生的功能，如图1-3(a)和(b)：
基于相位突变的理论设计超表面，物理概念清晰、设计过程直观且实际操作相对简便，因此激发了广大科研人员的研究热情，产生了不少成果[42-53]。
设计过程：
2，然后通过单元组阵获得响应的相位或幅度分布，从而实现对电磁波的调控，包括两类：
超表面的几个重要应用：
1，超表面在天线中的应用：
1，直接作为平面反射阵天线[57]，如图1-4(a):
3，超表面天线中每个单元可独立操控，确保了天线充足的设计自由度。
4，值得注意的是，超表面天线与传统贴片天线不同，传统贴片天线阵元尺寸通常为λ/2，而超表面天线的单元尺寸一般小于λ/5。
5，超表面可以用来改善天线性能，比如：
1，构造高增益Fabry-Perot(FP)天线[59]
2，超表面在极化转换中的应用：
原理：超表面对电磁波极化的调控一般是通过相位调控来实现的[70-74]。通过设计旋转非对称的超表面单元，能够实现对两种不同极化波产生不同相位响应的超表面[73,74]。
3，超表面在电磁隐身中的应用：
定义：超表面电磁隐身技术是指通过超表面来灵活调控电磁波的传播和散射，从而达到降低被隐身物体可探测性的目的。
基于超表面实现的隐身装置主要有：
1，隐身衣[75-77]
[75]中浙大陈红胜教授课题组提出的全极化超表面隐身衣与基于等效媒质理论实现的超材料隐身衣相比，超表面隐身衣只需通过调控电磁波反射相位即可实现隐身，设计灵活且容易加工。
2，吸波器[78,79]
2008年，美国波士顿学院Landy教授既其同事设计并实现了一款超表面吸波器，在11.5GHz时几乎达到了完美吸波的效果[78]。
3，随机表面[80,81]
随机散射面是通过将具有不同反射相位的超表面单元进行无序排布，使电磁回波能量分散在空间各个方向，从而降低目标的雷达散射截面(RCS)[81]。
4,2018年，东南大学程强教授等人进一步将散射和吸波两种隐身机制复合，设计了一种散射和吸收相结合的新型隐身超表面[82]，既可以吸收部分电磁波，也可以将未吸收的电磁波能量进行漫反射。
缺陷：无源超表面一旦加工完成，其电磁调控功能就被固化，因此这类无源被动超表面难以和现代只能化系统有机融合，要解决这个问题，就得看有源动态超表面了。
（二）、有源动态超表面
构造方法：
1，在微波频段，可以通过给超表面单元中加载半导体元件，如变容管[83-90]和PIN二极管[91-93]。
利用变容管实现动态超表面的优势在于可获得连续的可调谐性，但需要较大的电压变化范围来调节变荣管的容值。
基于PIN二极管的动态超表面一般只需两种不同的电压来控制PIN二极管的通断，操作相对简单，但其仅能获得离散的可调状态。
二极管和变容管的控制一般用电路控制，但超表面单元太多之后，电路显得复杂，2012年，澳大利亚学者Kivshar教授及其合作者提出了一种基于光电二极管和变容管的光控超材料，完成了对超材料的非接触式远程控制[107]。
2020年，韩国中央大学Lim教授等人提出了一种无需直流电源控制的动态可调超表面，其利用超表面单元中加载的肖特基二极管会对不同微波照射功率产生不同响应来自重构电磁功能[108]。
2，将可调敏感材料（如液晶、微流体和石墨烯）与超表面进行复合，用于实现动态超表面[94-98]。
3，将有源放大电路集成在超表面中，实现放大可调功能[99,100]。
（三）、数字编码和可编程超表面的概念与发展
2014年崔铁军教授等人创新性地将数字编码的概念引入到超材料中，提出了“数字版”超材料和超表面[116]。
数字编码思想不但简化了超表面对电磁波调控的设计流程，而且在物理空间上构筑了数字空间，将电磁波的物理特征和数字信息有机结合起来。
2016年，崔铁军教授等人研究并利用数字编码超表面的编码图案与其远场方向图之间的傅里叶变换关系，首次将卷积定理应用于灵活调控超表面的远场方向图[129]。
研究者还进一步把香农信息熵引入到数字编码超表面设计中，将超表面的不同数字编码图案与其携带信息量的大小关联起来，可以用不同的数字编码图案来改变超表面所提供的信息量[130]。
崔铁军教授等人进一步将具有强大数字控制和处理能力的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)引入到有源数字编码超表面设计中，研制了第一个现场可编程超表面[116]
