Localization length calculations in alternating metamaterial-birefringent disordered layered stacks
本文对非相关厚度无序条件下的超材料-双折射交替随机叠层中的局域化长度进行了详细的理论和数值分析。当考虑“标准”各向同性层（具有正折射率）而不是超材料层时，最近已经报道了类似的结构来抑制$\it{p}$ -偏振光的布鲁斯特离域，从而提供了产生偏振不敏感的宽带反射的通用手段。然而，与平均层厚度$a_0$相比，这种局部化的增强对于短波长$λ$是有效的。在较高的波长，我们恢复布鲁斯特异常$\it{p}$偏振态阻碍了显着的本地化的光。为了在更宽的波长范围内实现更好的定位，我们用负折射率超材料取代了传统的各向同性层，在近红外范围内呈现低损耗和恒定的折射率。其结果是，我们的数值计算表现出线性依赖的本地化长度与$λ$（在区域$5 <λ/a_0 < 60$）减少布鲁斯特异常在两个以上的数量级相对于标准的各向同性计划在斜入射。这种增强的本地化实际上是独立的厚度无序的种类，也举行弱折射率无序。
2015-05-31 physics.optics
Scattering Cross Section in a Cylindrical anisotropic layered metamaterial
为了设计单轴各向异性超材料，引入了一种用于TE极化的分层圆柱超材料。与先前的工作不同，其中层在径向方向上，这里层在方位角方向上。通过求解麦克斯韦波动方程，分析了该材料在不同频率下的散射效率。据观察，在某些频率下，当结构的有效介电常数为零时，散射效率可以忽略不计。这一结果证实了先前的预测。研究还发现，散射抵消依赖于环境介质的相对介电常数的圆柱。有限元模拟也证实了这一结果。
2017-06-14 physics.app-ph physics.optics
Negative refractive index and higher-order harmonics in layered metallodielectric optical metamaterials
我们研究了光在三维双周期Ag/TiO 2多层超材料中的传播，该超材料由工作在可见光和紫外光谱范围内的耦合等离子体波导组成。对于这些频率，波导平面中的光传播由负相速度描述，而对于正交方向的光传播由大量谐波组成的布洛赫波描述。因此，该材料通常不能用单一的相位指数来描述：将布洛赫波分解为不同的谐波，我们表明，对于感兴趣的波长范围，正指数m=1的谐波在正交方向上主导光的传播。数值模拟和光学折射实验证实了这些结果的双周期Ag/TiO 2多层超材料棱镜在380-600 nm的光谱范围内，这表明与右手谐波相关的正折射占主导地位。研究的等离子体轮廓，我们发现，尽管发生多个谐波的双周期结构可以作为一个平面透镜：对于一个平板组成的整数个单位细胞的所有谐波退化和建设性地干涉在图像平面。这项工作确定了许多三维周期性超材料的设计相关的重要考虑因素。
2014-04-18 physics.optics
Enhanced Nonlinear Optical Responses of Layered Epsilon-Near-Zero Metamaterials at Visible Frequencies
具有零介电常数的光学材料，称为ε近零（ENZ）材料，已经被证明在其ENZ区域具有增强的非线性光学响应。这些强非线性光学性质已经在均匀材料中牢固地建立起来;然而，目前还不清楚具有有效光学参数的超材料是否可以表现出类似的增强。在这里，我们探测由交替的Ag和SiO $_2$层的亚波长周期性堆叠组成的光学ENZ超材料，并在其有效零介电常数波长处测量非线性折射率$n_2 = (1.2 \pm 0.1) \times 10^{-12}$ m $^2$ /W和非线性吸收系数$β= (-1.5 \pm 0.2) \times 10^{-5}$ m/W。测得的$n_2$是熔融石英的$n_2$的$10^7$倍，是银的$n_2$的4倍。我们观察到，在$n_2$的非线性增强尺度为$1/(n_0 \mathrm{Re}[n_0])$，其中$n_0$是线性有效折射率。与均匀ENZ材料相反，其光学性质由其固有材料性质决定，因此不能广泛调谐，通过选择亚波长层的正确厚度，可以将所展示的超材料的零介电常数波长选择为位于可见光谱内的任何地方。因此，我们的结果提供了一种设计具有大非线性的超材料的方法，用于任何指定光波长的纳米光子学应用。
2021-02-24 physics.optics
Quantum optical effective-medium theory for layered metamaterials
超材料的量子光学始于一个问题，即有效介质理论是否适用于经典光学。总的来说，答案是否定的。对于主动等离子体，但也为一些被动的超材料，我们表明，一个额外的有效介质参数是必不可少的，除了有效的指数，即有效的噪声光子分布。只有有了这个额外的参数，人们才能预测超材料中光的量子态保持得有多好。在超材料的量子光学中，单独的有效折射率并不总是足够的，而一个附加的有效参数就足够了，这一事实既具有基础性又具有实际意义。本文从具有线性增益和损耗的介质的量子电动力学的拉格朗日描述出发，计算了量子光在层状超材料中沿任意方向传播的有效噪声-光子分布，从而详细和推广了我们最近的工作[ E. Amooghorban等人，物理修订版信函${\bf 110}$，153602（2013）]。有效折射率及其方向和偏振依赖性与经典有效介质理论相同。作为我们的主要结果，我们推导出被动和主动介质的有效噪声光子分布的值也取决于光的偏振和传播方向。有趣的是，对于TE-偏振光入射到无源超材料上，噪声光子分布减少到热分布，但对于TM-偏振光，它不是。我们说明了我们的量子光学有效介质理论的鲁棒性的准确预测功率谱和平衡零差检测的超材料的输出量子态。
2016-06-25 physics.optics quant-ph
Localization length of nearly periodic layered metamaterials
我们已经分析了数值的本地化长度的光$ξ$的均匀堆栈（完全由右手材料形成）和混合堆栈（与交替的右手和左手的超材料）的近周期性安排。具有折射率$n_1$和厚度$L_1$的层与具有折射率$n_2$和厚度$L_2$的层交替。位置无序被认为是随机移动的层边界的位置相对于周期值。对于均匀的堆栈，我们已经表明，本地化长度调制相应的频带和$ξ$增强在每个允许的频带的中心。在长波长$λ$的限制下，恢复了以前在纯无序系统中发现的抛物线行为，而对于$λ\ll L_1 + L_2$，达到了饱和。在条件为$|n_1 L_1|=|n_2 L_2|$的近周期混合堆的情况下，不是带，而是洛伦兹共振的周期性排列，这再次反映在局部化长度的行为中。对于大于$L_1 + L_2$几个数量级的波长，局部化长度$ξ$线性地依赖于$λ$，斜率与交替层之间的反射振幅的模量成反比。当不再满足条件$|n_1 L_1|=|n_2 L_2|$时，透射谱是非常不规则的，这显著地影响了局域长度。
2015-05-31 physics.optics
Integrated and Spectrally Selective Thermal Emitters Enabled by Layered Metamaterials
亚波长尺度的光-物质相互作用的纳米光子工程允许与传统热发射器根本不同的热辐射，并为各种热光子应用提供了令人兴奋的机会。我们提出了一种新的集成和电控热发射器，利用分层超材料与光刻免费和介电/金属纳米层。我们从理论上和实验上证明，所提出的概念可以创建一个强大的光子带隙在可见光区，并允许在红外波长小的阻抗失配，这引起了显着增强的发射率在宽红外波长的1.4-14微米的光学功能，以及有效地抑制在可见光区的发射率。电驱动超材料器件在高达~800 K的温度下具有光学和热稳定性，电光转换效率达到~ 30%。我们相信，所提出的高效热发射器将为各种热光子应用的集成红外线源平台铺平道路，特别是为成本效益高、紧凑、低眩光和节能的红外加热提供了一种新的替代方案。
2020-08-28 physics.app-ph physics.optics
Ellipsometric Identification of Transition from Layered Metal-dielectric Film to Hyperbolic Metamaterial
本文利用有效介质近似和转移矩阵法，结合椭圆偏振测量，提出层状金属-介电膜向双曲超材料转变的预测方法，并提供工程设计图表。
2026-01-05 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Dispersion Properties of Multilayered Metal-Dieletric Metamaterials
研究了不同层厚比的层状金属介质的色散特性。通过绘制色散图和等熵线，我们发现强非局域性是这种周期结构的固有特性。我们引入不同程度的损失和分析复杂的模式的超材料证明它的工作在一个政权与无限多的本征模式，与非局部性略有损失的影响。
2012-10-10 physics.optics
Metamaterials designed for enhanced ENZ properties]{Metamaterials designed for enhanced ENZ properties
我们检查分层的超材料结构组成的ε近零（ENZ）和介电材料的交替膜，并表明，对于这样的堆栈，它是可能的，以提高ENZ的折射，反射或吸收性能。所提出的结构利用来自几个界面、导模和等离子体激元激发的共振来实现所需的增强，并且它不是有效的介质。我们使用分析建模工具来显示不同的自由度如何影响堆栈的属性，并提出实验可行的参数，这样的结构。
2020-07-13 physics.optics
Multilayer metamaterial absorbers inspired by perfectly matched layers
我们推导出具有类似于完全匹配层（PML）的有效单轴特性的周期性多层吸收体。这种PML的近似表示是基于有效介质理论，我们称之为有效介质PML（EM-PML）。我们比较的空间反射光谱的分层吸收的PML材料，并表明，在忽略增益和磁性能，吸收器仍然功能。这开辟了一条路线，以创建电磁吸收器的真实，而不仅仅是数值应用，作为一个例子，我们介绍了一个分层的吸收器的波长$8$ ~ $μ$ m的SiO $_2$和NaCl。我们还表明，类似的圆柱形的核壳纳米结构来自平面多层也表现出非常好的吸收和反射性能，尽管不同的几何形状。
2014-06-07 physics.optics
Different regimes of ultrashort pulse propagation in disordered layered media with resonant loss and gain
含有损耗和增益成分的不同光学纳米结构作为各种纳米光子和等离子体应用的新型先进材料和构建块吸引了越来越多的关注。所谓的有源超材料的独特可调光学特征支持它们在微米和纳米尺度上用于传感，成像和信号处理。然而，这种可调谐性需要对超材料参数的灵活控制，这可以通过涉及一组非线性相互作用来提供。在本文中，我们提出了一种方法来管理超短脉冲通过改变一个随机的有源超材料中的人口差异无序的水平。这使得能够提供三种不同的相互作用机制：自诱导透明性（低无序），局域化机制（中度无序），以及对应于强烈不同的光脉冲速度的光放大（强无序）。由于这种控制可以通过相当简单的工具来实现，比如简单的泵浦调谐，因此所提出的无序介质为设计用于一整套高度要求的光学应用的特殊有源组件打开了一个机会的空间。
2019-07-12 physics.optics
Layered Babinet complementary patterns acting as asymmetric negative index metamaterial
本文研究了基于Babinet互补微阵列的多层结构在偏振光下的非对称光学响应与负折射率现象，提出其可作为超薄负折射率材料和非互惠纳米光子元件。
2024-04-26 physics.optics
Plasmon-polaritons and diffraction on the layer of asymmetric hyperbolic metamaterial
我们考虑了沿一层双曲型超材料的等离子激元在各向异性轴平面内传播，其方向任意。作为层状材料，我们使用周期性的平面层状人工介质或薄金属和电介质层的双曲超材料，并产生其均匀化。找到了快、慢、泄漏、滑动流、前向和后向等离子体激元-极化激元存在的条件，得到了任意偏振态平面波在这种结构上衍射的菲涅耳公式。计算了等离子体激元-极化激元的色散和平面波衍射。
2020-01-10 physics.optics
Broadband Epsilon-Near-Zero Metamaterials with Step-Like Metal-Dielectric Multilayer Structures
基于有效介电常数的Bergman谱表示，提出了由具有特定金属填充率和厚度的层状结构组成的宽带ε近零亚原子的概念.设计了阶梯状金属-介质多层膜结构，实现了在光学频率范围内真实的宽带ε-近零亚原子。这些元原子可以被集成为非常规光学组件的构建块，其在宽频率范围内具有奇异的电磁特性，例如所展示的宽带定向发射和相位波前成形。
2013-04-24 physics.optics
Two-dimensional point spread matrix of layered metal-dielectric imaging elements
我们描述的偏振态的空间分布的变化发生在二维成像通过多层，特别是通过一个分层的金属平面透镜。由于TM和TE偏振的振幅传递函数的差异，入射光的线性或圆偏振不被保留。实际上，表征通过多层的2D成像的传递函数和点扩散函数都具有矩阵形式，并且对于具有线性或圆形入射偏振的空间调制光束观察到交叉偏振耦合。矩阵形式的点扩散函数用于计算不同偏振态下超透镜的分辨率。我们演示了如何使用2D PSF来设计一个简单的衍射纳米元件组成的两个径向狭缝。该结构保证了来自掩模中的两个狭缝的无衍射径向光束的分离，并表现出两个环之间的反向功率流的有趣特性。
2010-12-02 physics.optics
Analysis and design of transition radiation in layered uniaxial crystals using Tandem neural networks
随着纳米光子学的蓬勃发展，通过对高速粒子周围的光子晶体（PC）等超材料的性质进行微调，可以设计出性能优越的Cherenkov辐射模式用于粒子探测。然而，辐射方向图可以是敏感的PC的几何形状和材料特性，如周期性，单位厚度，和介电分数，直接分析和逆向设计困难。在这篇文章中，我们提出了一种系统的方法来分析和设计基于PC的过渡辐射，这是由深度学习神经网络辅助。通过匹配界面处的边界条件，多层结构的类切伦科夫辐射可以使用级联散射矩阵方法解析地解决，尽管光轴不与快速电子轨迹对齐。一旦经过良好训练，前向深度学习神经网络可以用于预测辐射模式，而无需进一步的直接电磁模拟;此外，已经提出了串联神经网络来逆向设计所需切伦科夫辐射模式的几何形状和/或材料特性。我们的建议展示了一个很有前途的策略，用于处理基于分层介质的切伦科夫辐射探测器，它可以扩展到其他新兴的超材料，如光子时间晶体。
2022-11-28 physics.optics
Giant Goos-Hanchen effect at the reflection from left-handed metamaterials
我们研究了带有左手材料的层状结构的光束反射。我们预测一个巨大的横向（古斯-汉臣）移位和分裂的光束由于共振激发的表面极化激元与涡旋状的能量流之间的右手和左手材料。
2003-05-09 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Hyperbolic spoof plasmons in layered equivalent graphene metasurfaces
石墨烯等离子体的进步为设计和制造各种纳米电子器件和其他令人兴奋的光学器件提供了许多机会。但是，由于材料性能的限制，其工作频率不能下降到微波范围。在这项工作中，微波等效石墨烯的新概念的基础上的单层等离子体超颖表面的提出和证明。基于这一概念，理论上可以通过周期性地堆叠等效石墨烯超颖表面来获得椭圆和双曲色散。作为概念和方法的证明，设计并数值演示了椭圆形和全金属双曲超材料。作为该方法的具体实现，制备了一种实用的双曲型超材料，并通过定向传输和光子自旋霍尔效应验证了该方法的有效性。此外，为了研究该方法在极端参数条件下的有效性，设计并制作了一个概念验证超透镜，其近场分辨率为0.05 $λ$的实验验证。基于所提出的概念，不同的光学石墨烯超材料，如调焦镜，色散相关的定向耦合器，和ε近零材料也可以在微波区实现。
2020-06-12 physics.app-ph physics.optics
Chiral metamaterials with negative refractive index based on four "U" split ring resonators
单轴手征超材料是由两层四个U形开口环谐振器相互扭转90 °构成的。它显示出巨大的旋光性和圆二色性。反演结果表明，由于大的手征性，圆偏振波可以实现负折射率。实验结果与数值计算结果吻合较好。
2010-08-31 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Fourier Optics approach to imaging with sub-wavelength resolution through metal-dielectric multilayers
用于亚波长分辨率成像的金属-电介质叠层被视为线性等晕系统-傅立叶光学和标量衍射理论中流行的概念。在本文中，分层平面透镜是以点扩散函数为特征的一维空间滤波器。然而，取决于源的模型，具有亚波长分辨率的多层膜的点扩散函数的定义可以用几种方式来公式化。这里，在软源和硬电或磁源之间进行区分。这些定义中的每一个都导致了完美成像的不同含义。结果表明，对于亚波长分辨率的多层膜，PSF的一些简单解释，如PSF的宽度与成像系统分辨率的关系是不明确的。在具有亚波长尺寸PSF的分层系统的点扩散函数工程中必须观察到这些差异。
2010-06-18 physics.optics
Hyperbolic metamaterials with extreme mechanical hardness
双曲型超材料（Hyperbolic Metamaterials，简称HALF）是一种具有高度各向异性的光学材料，它的性能取决于光的传播方向。它们对于从航空航天到汽车，从无线到医疗和物联网等众多应用都变得至关重要。这些应用通常在恶劣的环境中工作，或者可能承受显著的外部应力。这就要求材料具有增强的光学性能以及可定制的机械性能。根据它们的具体用途，可能需要硬材料和超软材料，尽管与光学双曲线响应的组合很少被提及。在这里，我们展示了在同一（Meta）材料中结合光学双曲面和可调机械性能的可能性，重点是极端机械硬度的情况。使用第一原理和有效介质理论的高通量计算，我们探索了一大类在近红外和可见光范围内具有双曲光学活性的层状材料，并且我们在1800多种过渡金属岩盐晶体组合中确定了数量减少的超软和硬阻碍。一旦通过实验验证，这类新的超材料可能会促进以前未开发的光学/机械应用。
2021-02-22 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Ballistic charge transport in graphene and light propagation in periodic dielectric structures with metamaterials: a comparative study
我们探讨了含有左手材料的周期性层状介质的光学性质。这项研究是基于光在超材料中的传播和石墨烯中的电荷传输之间的几个类比。我们推导出这两个问题等价的条件，即，当相应的波函数重合时的方程和边界条件。我们发现，光子带隙结构的周期性系统交替的左手和右手的电介质板包含类似的狄拉克点在石墨烯中的带电准粒子的能谱中的圆锥奇点。这种奇异性的区域结构的无限系统引起相当不寻常的性质，在有限的样品中的光传输。在一个富有洞察力的数值实验（高斯光束通过正常和亚稳态的混合堆叠的传播）中，我们同时证明了四个狄拉克点引起的异常：（i）在禁止频率处强度的扩散样衰减，（ii）光束的聚焦和散焦，（iii）光束的横向位移的情况下，和（iv）Zitterbewegung效应的空间模拟。所有这些现象都发生在平均折射率为非零的介质中，并且可以通过改变样品的几何和电磁参数或光的频率和偏振来调谐。
2013-06-30 cond-mat.mes-hall physics.optics
A Quantum Graph Approach to Metamaterial Design
本研究提出量子图超材料设计方法，以周期量子图建模二维超材料，通过操控能带图设计特性，验证了折射与波束转向效果，为超材料设计提供了灵活的工具。
2023-06-09 math-ph math.MP physics.app-ph
A metamaterial telescope at millimetre wavelengths
本文提出并验证了一种完全由热压多层超材料平面透镜构成的毫米波望远镜，在90-190 GHz频段性能与传统折射望远镜相当，同时实现超过80%的减重并降低低温涂层风险。
2025-01-01 astro-ph.IM physics.optics
AFLOW-EMERALD: ElectroMagnetic modes EngineeRing in Advanced LayereD materials
Università di Modena e Reggio Emilia（摩德纳-雷焦艾米利亚大学）；Duke University（杜克大学）；CNR-NANO Istituto Nanoscienze, Centro S3（国家纳米科学研究所纳米技术部S3中心）
AFLOW-EMERALD是一款开源模块化电磁计算框架，可模拟层状材料电磁波传播，适用于材料-几何耦合工程，为相关光子学等材料设计提供实用平台。
2026-08-07 physics.comp-ph physics.optics
