Extending the Brewster Effect to Arbitrary Angle and Polarization using Bianisotropic Metasurfaces
提出了一种将布儒斯特效应扩展到任意角度和偏振的双各向异性超颖表面设计。利用表面磁化率张量和广义片层转换条件（GSTCs）合成方法合成了超颖表面，并通过GSTC-FDFD模拟进行了验证。结果发现，一个非常广泛的角度范围（0-30）与近零反射可以获得附近的法线角，这是最重要的兴趣在近轴光学，而更窄的角度范围在更倾斜的角度可能会发现在空间滤波的应用。
2018-01-25 physics.optics
Integrated Generalized Sheet Transition Conditions (GSTCs) in a Yee-Cell based Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Simulation of Electromagnetic Metasurfaces
本文提出了一种基于在传统Yee-cell区域内直接引入广义片层跃迁条件（GSTC）的宽带电磁元面时域有限差分（FDTD）模拟方法。这是通过将零厚度超颖表面插入Yee单元区域的体节点内来实现的，从而产生三种不同的单元配置-对称单元（SC）、非对称单元（AC）和紧密非对称单元（TAC）。此外，使用表现出宽带洛伦兹响应的电和磁表面磁化率来模拟超颖表面。因此，所提出的模型保证了来自元表面的物理和因果响应。几个全波结果显示，并与分析傅立叶传播方法显示出优异的结果相比，为1D和2D场模拟。结果发现，TAC提供了最快的收敛速度与最小的误差之间的三种方法。
2017-06-14 physics.app-ph physics.optics
IE-GSTC Metasurface Field Solver using Surface Susceptibility Tensors with Normal Polarizabilities
提出了一种基于积分方程（IE）的电磁场求解器，使用元表面磁化率张量，并使用各种二维数值例子进行了验证。所提出的方法解决了由元表面所产生的场，所述元表面被表示为满足广义片过渡条件（GSTC）的空间不连续性，并且使用张量表面磁化率密度$\bar{\barχ}$来描述。第一次，完整的张量表示的极化率被纳入这个集成的IE-GSTC框架，其中正常的表面极化率和它们的空间导数沿元表面被严格考虑。所提出的场方程公式化进一步利用局部坐标系统，其使得能够对具有任意取向和几何形状的元表面进行建模。建议的二维BEM-GSTC框架成功地测试使用各种例子，包括无限和有限大小的元表面，周期性元表面和复杂形状的结构，显示与分析结果和商业全波求解器的比较。结果表明，零厚度片模型与完全张量平行性可以非常准确地再现宏观场，占其角场散射响应和边缘衍射效应在有限尺寸的表面。
2021-05-11 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Homogenization and Scattering Analysis of Second-Harmonic Generation in Nonlinear Metasurfaces
我们提出了一个广泛的讨论二阶非线性元表面的均匀化和散射分析。我们的发展是基于广义片过渡条件（GSTCs），这是用来模拟非线性超颖表面的电磁响应。GSTC在频域中求解，假设一个未耗尽的泵制度，并在时域中，假设色散的材料属性，但可能耗尽的泵制度。基于这两种建模方法，我们导出了一般的二次谐波无反射和无透射条件以及非对称反射和透射条件。我们还讨论和澄清有关非线性超颖表面的非互易散射的概念。
2018-02-28 physics.optics
Quadrupolar susceptibility modeling of substrated metasurfaces with application to the generalized Brewster effect
本研究推导了含偶极、四极子的广义面跃迁条件，验证其适用于带衬底超表面，利用新增超极化率自由度实现了多入射角的广义布儒斯特效应及反布儒斯特效应。
2023-02-27 physics.optics
Part 1: Spatially Dispersive Metasurfaces: Zero Thickness Surface Susceptibilities & Extended GSTCs
提出了一种描述空间色散超颖表面的简单方法，其中明确地使用与角度相关的表面折射率来制定实际超颖表面结构的零厚度薄片模型。它表明，如果一个给定的超颖表面的表面磁化率表示为两个多项式的切向空间频率的比值，$\boldsymbol{k_{||}}$与复系数，它们可以方便地表示为空间域中的差异和平均场周围的超颖表面的空间导数，导致扩展形式的标准广义片过渡条件（GSTC）占空间色散。使用两个简单的例子，一个短的电偶极子和一个全电介质圆柱形冰球单位细胞，表现出纯粹的切向表面极化率和互易/对称的传输和反射特性，所提出的概念是在2D数值确认。已经发现单个洛伦兹算子描述短偶极单位单元的时空频率行为，而多洛伦兹算子描述被开发以捕获电介质圆盘的复杂多个角共振。对于这两种情况，推导出适当的空间边界条件。
2021-08-04 physics.app-ph physics.optics
Space-Time Modulation Induced Non-reciprocity in Electromagnetic Metasurfaces
提出了电磁超颖表面中时空调制引起的非互易性，并利用严格的广义片层跃迁条件（GSTC）在平面波斜入射下进行了数值模拟。它是唯象地示出，时空调制的表面可伸缩性创建一个固有的不对称性相对于元表面上的方向扰动和输入波的横波动量，向前和向后传播之间，导致在非互易波传输。利用表面在时间和空间上的可伸缩性的周期性，Floquet模式展开方法被用来严格计算散射场，固有色散超颖表面，通过求解GSTC与因果洛伦兹表面可伸缩性相结合。各种谐波的解决方案显示和非互易波传输已被证实下的斜平面波入射。
2017-03-31 physics.optics
Computational Analysis of Metasurfaces
超表面代表了现代科学技术中最具活力的领域之一。超颖表面是一种复杂的电磁结构，其通常厚度为深亚波长，横向尺寸为电学大，并且由具有极小特征的亚波长散射颗粒组成;它通常可以是双各向异性的，空间变化和时间变化的，非线性的，弯曲的和多物理场的。由于这种复杂性，元表面的设计需要一个整体的方法，涉及协同合成和分析操作，基于一个坚实的模型。广义片过渡条件（GSTC），结合双各向异性表面磁化率函数，提供了这样一个模型，并允许现在的设计复杂的元表面，这仍然是一个重大的挑战，几年前。本文提出了这个问题，专注于计算分析的元表面通过GSTC敏感性的方法。它表明，这种分析起着至关重要的作用，在整体设计的元表面，并概述了最近报道的相关频域（FDFD，SD-IE，FEM）和时域（FDTD）计算技术。
2017-10-30 physics.optics
Recent Advances in Bianisotropic Boundary Conditions: Theory, Capabilities, Realizations, and Applications
近年来，通过引入双各向异性超颖表面，已经实现了新的功能和前所未有的波前控制。双各向异性超颖表面的特征在于电响应、磁响应和电磁/磁电响应。一般来说，这些超颖面由位于亚波长厚的主介质内的金属或电介质颗粒的阵列组成，并且被近似和建模为沿着表面限定的无限薄的理想化片边界。一个适当的片边界条件，有效地模拟切向场的不连续性，由于阵列的磁电夹杂物是广义片过渡条件或GSTC。GSTC的几种形式出现在文献中。在这里，我们介绍每一种解释，并说明它们是如何相互关联的。概述了每种形式独特的合成方法。通过在超颖表面设计中利用GSTC，出现了新的可能性，这是传统的设计技术不可能仅包含电或磁响应的。由于超颖表面是使用双各向异性边界条件设计的，因此必须使用包含磁电响应的粒子来实现。这篇综述文章讨论了使用GSTC的超颖表面的设计，以及用于实现GSTC的双各向异性粒子。此外，它讨论了新的和最近的应用程序，已经出现了由于双各向异性，和未来的前景，在元表面设计使用双各向异性边界条件。其目的是提供一个全面的概述元表面设计涉及双各向异性和这篇评论文章作为一个起点的工程师和科学家，希望引入到元表面设计的双各向异性。
2021-10-16 physics.app-ph physics.optics
Exact Finite-Difference Time-Domain Modelling of Broadband Huygens' Metasurfaces with Lorentz Dispersions
一个显式的时域有限差分技术建模的零厚度惠更斯' metasurfaces广义片过渡条件（GSTC）的基础上，提出并证明了使用全波模拟。惠更斯' metasurface建模使用电和磁的表面磁化率，这被发现遵循双洛伦兹色散曲线。为了求解一般宽带激励下的零厚度惠更斯超颖表面问题，将双Lorentz色散剖面与GSTC相结合，得到一组时域一阶微分场方程。识别惠更斯元表面和耦合RLC振荡器电路之间的确切等效性，然后使用基于有限差分公式的标准电路建模技术求解场方程。包括广义折射的几个例子来说明散射场的时间演化从惠更斯的超颖表面下平面波的垂直入射，在谐波稳态和宽带制度。特别是，由于其固有的时域配方，一个显着的优势的方法是它的建模能力随时间变化的超颖表面，这是证明了一个简单的例子，泵的超颖表面导致新的频率产生和波放大。
2016-09-19 physics.optics
Fast analysis of spherical metasurfaces using vector wave function expansion
提出了一种基于广义片层过渡条件和矢量波函数展开的球面元表面建模方法。在球面VWF和未知系数方面扩展的内部和外部的超颖表面的字段。GSTC用于获得未知系数之间的线性关系。一个超定系统的方程，然后解决了点匹配。该方法是准解析的，因此不需要在传统的计算电磁方法中遇到的网格划分。这导致该方法非常快，因此对元表面优化有用。通过两个算例验证了该方法的有效性。这里提出的公式可以很容易地扩展到多层球形超颖表面。
2018-11-01 physics.class-ph physics.optics
Floquet-Mode Solutions of Space-Time Modulated Huygens' Metasurfaces
提出了一个严格的Floquet模式分析的零厚度时空调制惠更斯超颖表面的模型，并确定散射场的新的谐波分量的强度。所提出的方法是基于广义片转换条件（GSTCs）处理的元表面作为一个空间不连续。超颖表面描述的洛伦兹电和磁的表面磁化率，$χ_\text{ee}$和$χ_\text{mm}$，分别，其谐振频率在空间和时间周期性调制。未知的散射场，然后表示在Floquet模式，当使用GSTC，导致一个系统的场矩阵方程。然后对所得的线性方程组进行数值求解，以确定总散射场。使用时域有限差分（FDTD）求解器，所提出的方法进行了验证和确认的调制深度（$Δ_p$）和频率（$ω_p$）的几个例子。最后，计算的稳态散射场傅立叶传播解析，可视化的折射谐波。所提出的方法是简单和通用的，能够确定稳态响应的时空调制的惠更斯超颖表面，为任意调制频率和深度。
2017-01-19 physics.optics
Frequency-Domain Analysis of Wave Scattering by Spatially Dispersive Metasurfaces Using the Method of Auxiliary Sources
Aristotle University of Thessaloniki（塞萨洛尼基亚里士多德大学）；Technion-Israel Institute of Technology（以色列理工学院）
本研究将扩展广义薄层过渡条件集成到辅助源法，形成无网格仿真框架，分析多种空间色散超表面，结果与已发表数据吻合，验证了方法的准确性与灵活性。
2026-07-31 physics.comp-ph physics.optics
Ray-Optical Evaluation of Scattering from Electrically Large Metasurfaces Characterized by Locally Periodic Surface Susceptibilities
这项工作继续了[1]的光线追踪方法的发展，用于计算以局部周期性反射和透射系数为特征的元表面的散射场。在这项工作中，而不是描述的metasurface的散射系数，取决于入射方向，其散射行为的特征在于表面磁化率张量，出现在广义片过渡条件（GSTC）。由于后者的数量是本构参数，它们不依赖于入射场，从而使一个更紧凑和物理动机的表面的描述。局部周期性的磁化率分布扩展成傅立叶级数，和GSTC重写的形式，使他们能够数值求解的反射和透射表面场。在任意探测器位置的散射场是通过使用前向射线跟踪（FRT）计划评估的第一和第二种的临界点的贡献。所得到的框架的准确性已被验证与积分方程为基础的边界元法（BEM）-GSTC全波求解器的各种例子，如周期性调制的元表面，元表面扩散器和光束准直器。
2021-02-14 physics.app-ph physics.optics
Mono-cross-anisotropic Metasurface Absorbing Boundary Condition (ABC)
我们引入了超表面吸收边界条件的概念。这是元表面技术在计算电磁学中的首次应用。MS-ABCs具有与先前报道的表面ABCs类似的性能，但它们提供了更丰富的吸收描述，即独立于入射波，并通过双各向异性可吸收性更深入地了解物理学。使用GSTC合成来合成MS-ABC磁化率，从中发现超表面是单交叉各向异性的，即仅具有非零的电-磁和磁-电耦合磁化率张量，这在物理上是不可能的，但在数值上是完全合适的。此外，它被发现的元表面是不对称的，被放大在相反的方向上的基本利用作为ABC。MS-ABC是在GSTC-FDTD方案中实现的，该方案首次通过驻留在规则Yee网格上的直接表面极化电流来取代虚拟网格的概念。
2018-09-20 physics.comp-ph physics.optics
Generalized Sheet Transition Condition FDTD Simulation of Metasurface
本文提出了一种基于广义片层跃迁条件的FDTD方法，用于模拟多色、非线性和时空变化的超颖表面。该方案包括将元表面放置在交错Yee网格的规则节点之间引入的虚拟节平面上，并在标准FDTD算法中在该平面中插入由GSTC确定的场。由此产生的更新方程是一个优雅的标准FDTD方程的推广。事实上，在零表面磁化率的极限情况下，（$χ_\text{surf}=0$），它们简化为后者，而在时不变元表面$[χ_\text{surf}\neqχ_\text{surf}(t)]$的下一个极限情况下，它们分成两项，一项对应于单单元的标准方程具有体积磁化率的（$Δx$）厚板另一个方法是将该板变换为真实（零厚度）超颖表面。该方案是完全数值的，非常容易实现。虽然它是明确推导出的各向同性超颖表面，它可以直接扩展到双各向异性的情况。除了某些特殊情况下，它不适用于色散元表面，其中一个有效的辅助差分方程（ADE）的扩展方案目前正在开发的作者。通过五个有代表性的算例对该方案进行了验证和说明。
2017-05-11 physics.class-ph physics.optics
Simultaneous Control of the Spatial and Temporal Spectra of Light with Space-Time Varying Metasurfaces
本文提出了时空变（STV）超表面，同时控制空间和时间频谱的电磁波。这些超表面将入射电磁波转换为具有任意时间和空间频率的指定反射和透射波。它们是在时域广义片跃迁条件（GSTC）方面合成的。此外，他们的特点是使用的分析方法和非交错时域有限差分（FDTD）技术，适用于空间-时间元表面。STV超颖表面执行脉冲整形，时间反转和分化的例子。
2019-03-31 physics.app-ph physics.optics
Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Modelling of Space-Time Modulated Metasurfaces
提出了一种基于广义片层跃迁条件（GSTCs）的有限尺寸零厚度时空调制惠更斯超颖表面的时域有限差分（FDTD）建模方法，并进行了数值模拟。以一个典型的全介质惠更斯晶胞为例，对其材料的介电常数在空间和时间上进行调制，以模拟超颖表面上的旅行型时空扰动。通过将介电常数的变化映射到等效的洛伦兹电和磁化率密度$\tildeχ_\text{ee}$和$\tildeχ_\text{mm}$的参数上，将问题表示为一组具有非常系数的时间上的二阶微分方程。然后，方便地解决所产生的场的解决方案，使用显式有限差分技术和集成与基于Yee细胞的传播区域可视化的散射场考虑到各种衍射效应从有限大小的超颖表面。几个例子示出的线性和时空变化的超颖表面，激发与正常入射平面和高斯光束，显示详细的散射场的解决方案。虽然时间调制的超颖表面导致新的共线传播的时间谐波的生成，但是当在超颖表面中引入附加的空间调制时，这些谐波在空间中角度分离。
2017-01-05 physics.optics
Analytical modeling of time-varying and dispersive metasurfaces with surface susceptibility operators
本文将GSTCs中的表面极化率扩展为可处理的算子形式，以建模任意时间调制与材料色散的超表面，并推导偶极散射体阵列公式，且经全波仿真验证。
2025-03-17 physics.optics
Floquet Analysis of Space-Time Modulated Huygens' Metasurfaces with Lorentz Dispersion
一个严格的半解析Floquet分析提出了一个零厚度的时空调制惠更斯超颖表面模型，并确定新的谐波分量的散射场的强度。所提出的方法是基于广义片转换条件（GSTCs）处理的元表面作为一个空间不连续。根据洛伦兹电和磁表面磁化率，分别描述超颖表面，$χ_\text{e}$和$χ_\text{m}$，其中参数（例如谐振频率）在空间和时间上都被周期性地调制。未知的散射场用Floquet谐波表示，其振幅可以通过数值求解一组线性方程来找到，从而得到总散射场。利用现有的计算技术，该方法是验证使用几个例子的纯空间和纯时间调制不同的调制强度和泵浦频率。最后，给出了两种时空调制的情况（驻波扰动和行波扰动）来证明洛伦兹互易性的破缺。所提出的方法是简单和通用的，能够确定的稳态响应的时空调制的惠更斯的metasurface，激发与斜平面波，或一般的入射场，如高斯光束。
2020-07-14 physics.optics
Generalized Optical Signal Processing Based on Multi-Operator Metasurfaces Synthesized by Susceptibility Tensors
本文从理论上提出了一种多通道功能元表面计算机，其特征在于广义片转换条件（GSTC）和表面磁化率张量。该研究探索了一种偏振和角度复用的超表面，当被来自不同方向的不同偏振入射光束照射时，该超表面能够实现多个独立的并行模拟空间计算。所提出的合成克服了以前的设计，如大架构所带来的额外的子块，响应慢，最重要的是，只支持正常入射的均匀反射对称操作，工作在一定的入射角或偏振，并执行只有单一的数学运算所带来的实质性的限制。该设计的多功能性以一种超紧凑、可集成和平面超颖表面辅助平台可以执行各种光学信号处理操作（如空间微分和积分）的方式得到证明。它表明，一个具有非互易性的元表面可以被认为是一个新的范式，打破反射的偶对称性，并在正常的发病率进行偶和奇对称的数学运算。数值模拟也说明了不同方面的多通道边缘检测方案，通过投影多个图像的元表面从不同的方向。这种有吸引力的发现不仅规避了以前设计的主要潜在缺点，而且可以在基于波的信号处理、边缘检测、图像对比度增强、隐藏对象检测和方程求解中提供高效、易于制造和灵活的方法，而无需任何傅立叶透镜。
2018-11-06 physics.optics
Generalized Brewster Effect using Bianisotropic Metasurfaces
我们表明，适当设计的双各向异性超颖表面放置在两个任意不同的介质之间的界面，或涂层暴露在空气中的电介质，提供布鲁斯特（无反射）传输在任意角度和TM和TE偏振。我们提出了一个严格的推导相应的表面磁化率张量的基础上的广义片过渡条件（GSTC），并证明了系统与平面微波超颖表面设计的偏振无关和方位角无关的操作。此外，我们发现，这样的系统导致工程阻抗的有效折射介质的概念。所提出的双各向异性超颖表面为初始失配的介质提供了深亚波长匹配解决方案，或者导致常规菲涅耳系数的按需操纵的可能性。报道的广义布鲁斯特效应代表了光学技术的一个根本性进步，它既可以提高传统元件的性能，又可以开发新型器件。
2020-12-11 physics.app-ph physics.optics
