Enhanced infrared vision by nonlinear up-conversion in nonlocal metasurfaces
本文利用铌酸锂非局域超表面实现红外到可见光的非线性上转换成像，兼具高效率和分辨率，并支持边缘检测处理，适用于先进夜视应用。
2024-05-28 physics.optics
Degenerate spontaneous parametric down-conversion in nonlinear metasurfaces
本文提出利用非线性超表面中P/S偏振准导模带交叉与选择定则增强简并自发参量下转换，并通过非共线二次谐波逆过程经典评估效率，在球体单层模型中验证了方案有效性。
2023-11-16 physics.optics
Linear frequency conversion via sudden merging of resonances in time-variant metasurfaces
根据诺特定理，物理系统中的能量转换需要时间平移不变性破缺。与这种能量守恒关系密切相关的是，电磁波的频率随着波在随时间变化的介质中传播而发生转换。因此，对波传播所通过的介质（无论是人工的还是自然的）的有效时间控制是线性光学频率转换的核心。在这里，我们提出了快速时变超颖表面作为频率转换平台，并通过实验证明了它们在太赫兹频率下的功效。所提出的超颖表面被设计用于在超快光激发时将两个不同的共振突然合并成单个共振。从该频谱设计的时间边界向前，辐射合并谐振频率分量。此外，时间相干性的两个原始的谐振模式相对于突变的时间边界被发现是强烈相关的频率转换的量以及转换波的相位。由于它们的设计灵活性，时变元表面可以成为用于各种频率范围的按需频率合成器。
2017-06-02 physics.optics
Fundamental Limits of Ultrathin Metasurfaces
我们提出了普遍的理论限制的操作和性能的非磁性无源MEMS超表面。特别是，我们证明了它们的局部透射，反射和偏振转换系数被限制在有限的区域的复平面。结果，如果光的偏振不同时受到影响，则不能实现对透射通过这种超颖表面的光的相位的完全控制。我们还建立了这些超颖表面的最大偏振转换效率的基本限制，并表明它们在透射中不能实现超过25%的偏振转换效率。
2014-11-10 physics.optics
Full conversion of unpolarized to fixed-polarization light with topology optimized metasurfaces
本研究利用拓扑优化超表面突破了传统偏振器50%的效率限制，实现了非偏振光到单一纯偏振态的近乎完全转换，消光比接近100，并支持多输出间的任意功率分配。
2023-08-28 physics.optics
Dynamic quarter-wave metasurface for efficient helicity inversion of polarization beyond the single-layer conversion limit
太赫兹手征传感和偏振复用通信需要动态反转偏振螺旋度的亚波长器件。为此目的，超颖表面可以在亚波长尺度上增强各向异性和精细可调谐性。尽管已经设计了能够在正交偏振之间进行深度调制的超颖表面，但是它们的转换效率低。在这项研究中，它表明，传统的单层透射超颖表面的转换效率从线性到圆偏振不能超过一个基本的限制。然后，提出了一种不受此限制的动态反射元表面。该器件包括多层结构，作为具有可切换的慢轴和快轴的太赫兹四分之一波片工作。二氧化钒的相变引起金属图案的必要结构转变。提出了一种基于碳化硅室温键合技术的实用制作方法。动态螺旋反转证明在0.90太赫兹，转换效率超过80%，这是超出了单层透射超颖表面的基本限制（65%），比以前报道的设备的四倍以上。
2022-01-18 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Spontaneous Parametric Down-Conversion from Resonant Metasurfaces
全介质光学超颖表面是纳米光学领域的主力，因为它们能够在不同的自由度上操纵光，并且在光频率转换方面具有优异的性能。在这里，我们展示了第一次产生的光子对通过自发的参数下转换在锂的量子光学超颖表面与电和磁米氏共振在各种波长。通过设计量子光学超颖表面，我们以可控的方式定制光子对光谱。在共振周围的窄带宽内，与相同厚度和材料的未图案化的膜相比，对产生的速率提高了两个数量级。这些结果使纠缠光子的平面光学源成为可能-这是量子光学实验的一个新的有前途的平台。
2021-03-15 physics.optics quant-ph
Externally driven nonlinear time-variant metasurfaces
共振光子纳米结构具有增强的非线性响应和高效的频率转换，是非线性光学领域的一个新兴平台。具有快速调谐的高Q谐振的高折射率半导体超颖表面实现了一类新颖的时变超颖表面，这扩展了纳米级颜色管理的工具箱。在这里，我们报告的动态控制的非线性光学响应的时变半导体超颖表面支持高品质因数共振在近红外光谱范围内。在负的泵浦-探测时间延迟下对锗超颖表面的泵浦-探测测量揭示了基频光的频率转换和10 nm（3.05 $ω$）的蓝移以及由于光致时变折射率引起的三次谐波信号的40%展宽。与实验数据非常吻合的时变耦合模理论验证了系统的时变性质。我们的发现扩大了时变超颖表面的范围，并可能作为下一代纳米级脉冲整形器，光开关和光源的基础。
2020-12-11 cond-mat.mes-hall physics.optics
Spin-Orbit Angular Momentum Conversion in Metamaterials and Metasurfaces
在过去的几十年里，在操纵光的自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）方面取得了前所未有的进展，使许多应用从经典和量子通信到光学显微镜和超分辨率成像。超表面是人工设计的2D超材料，具有设计的亚波长尺寸构建块，可以精确控制光场，具有无与伦比的灵活性和性能。光学超颖表面的降维实现了新的物理学，并导致与块体材料可实现的功能和应用显著不同的功能和应用。本文综述了近年来光学超颖表面在集成自旋轨道转换（SOC）器件中的应用，并对超颖表面在光的SAM和OAM操纵方面的研究进展进行了综述。
2019-07-25 physics.optics quant-ph
Metasurface absorber enhanced thermoelectric conversion
本文研究超表面在光热电转换中的作用，发现其光学厚度与薄几何结构能有效收集环境热辐射并传导局部热量，从而在热电器件中产生额外温度梯度和输出电压，性能优于高红外吸收的碳黑涂层电极。
2023-08-11 physics.app-ph physics.optics
Amplified up-conversion of electromagnetic waves using time-varying metasurfaces
ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS), Research School of Physics, The Australian National University（澳大利亚国立大学变革性超光学系统卓越研究中心物理研究学院）；Instituto de Telecomunicações and Department of Electronics, Telecommunications and Informatics, University of Aveiro（阿威罗大学电信研究所电子、电信与信息系）
利用时变超材料实现微波和太赫兹波段电磁波的高效放大和频率转换，通过级联放大过程突破曼利-罗伊极限。
2026-08-17 physics.app-ph physics.optics
Conversion of photon temporal shape using single gradient metasurface
针对超表面难以在纳秒尺度塑形单光子波包的问题，提出利用单个超表面上的多光子波包干涉实现高保真可控光子波形转换，为量子网络时域波形失配提供紧凑解决方案。
2025-03-21 physics.optics quant-ph
Introducing a Symmetry-Breaking Coupler into a Dielectric Metasurface Enables Robust High-Q Quasibound States in the Continuum and Efficient Nonlinear Frequency Conversion
介电超颖表面支持准束缚态的连续（准BIC）表现出非常高的品质因数共振和电场限制。然而，访问准BIC制度的高Q端通常需要从BIC条件略微扭曲超颖表面设计，将所需的纳米级制造精度推向极限。这项工作介绍了一种新的概念，用于产生高Q准BIC，它强烈放宽了这一要求，通过将一个相对较大的微扰元素接近高对称点的一个未失真的BIC元表面，作为耦合器的辐射连续。我们通过在椭圆形圆盘超颖表面单元格中由300 nm间隙分离的两个反射对称点之间添加直径为$\sim$ 100 nm的圆柱体来验证这种方法，使用磷化镓作为电介质。我们发现，高Q共振出现时，圆柱形耦合器被放置在任何位置之间的对称点。我们进一步探讨这种超颖表面的二次谐波产生能力在光学范围内。将耦合器从BIC条件下位移全直径，产生破纪录的归一化转换效率>10 $^{2}$ W $^{-1}$。在BIC元表面中的多个高对称点之间包围破坏性元素的策略可以应用于在许多几何设计中构造鲁棒的高Q准BIC。
2022-04-14 physics.optics
Dendritic cell-cluster metasurface manipulation of visible light
对可见光的操纵在科学和技术研究中是重要的。超颖表面可以实现对电磁波的相位、偏振和传播模式的灵活且有效的调节。超颖表面是光学和电磁学领域的研究热点，交叉偏振转换是超颖表面在可见光操控中的一个重要应用。据报道，由纳米天线阵列和双层等离子体组成的超表面可以有效地转换线性偏振光的方向。然而，在短波长可见光中操作的交叉偏振转换的超表面是有问题的。此外，以前使用自顶向下蚀刻方法制备的超颖表面不适合实际应用，因为必需的苛刻实验条件和制备的高构造成本。在目前的工作中，我们建议树突状细胞簇超颖表面实现交叉极化的传输模式在550，570，590和610 nm波长。制备使用自下而上的电化学沉积方法完成，该方法简单且成本低。树突状细胞簇超颖表面是交叉极化转换研究的重要一步，具有广阔的应用前景和发展潜力。
2016-12-02 physics.optics
Near-Perfect Conversion of a Propagating Plane Wave into a Surface Wave Using Metasurfaces
本文对平面波到表面波的完全/接近完全转换进行了理论和数值研究。考虑了非均匀无耗边界的电磁性质的确定问题，该边界将入射平面波完全转换为沿边界传播的表面波。本文讨论了一种能产生慢增长表面波并满足能量守恒定律的近似场解，并进行了数值验证。研究结果对未来发展完美漏波天线等器件具有重要意义，并可能导致许多新的应用。
2018-03-31 physics.optics
Spin-to-orbital angular momentum conversion in dielectric metasurfaces
自旋-轨道角动量转换作为一种产生奇异光束的工具已经引起了相当大的兴趣，导致了实现这一功能的新型器件的出现。这些转换器利用几何相位来创建由入射光的手性确定的旋向性的螺旋光束。由于被称为q板的液晶自旋-轨道角动量转换器（SOC）的演示，这种特性在量子光学中得到了重要的应用。在这里，我们展示了高效率的SOC在可见光的基础上的电介质超颖表面，产生涡旋光束与高，甚至分数拓扑电荷，并显示第一次的同时产生的共线螺旋光束具有不同的和任意的轨道角动量。我们可以预见，这种多功能的方法来创建涡旋光束，它绕过了q板的限制，将显着影响显微镜和矢量光束整形。
2016-05-12 physics.optics
Artificial Perfect Electric Conductor-Perfect Magnetic Conductor Anisotropic Metasurface for Generating Orbital Angular Momentum of Microwave with Nearly Perfect Conversion Efficiency
轨道角动量（OAM）是电磁学和量子力学基础研究中一个很有前途的自由度。OAM具有无限的状态空间，在增强经典和量子通信信道容量方面具有巨大的潜力。通过探索Pancharatnam-Berry相位概念和在具有空间变化取向的超颖表面中设计各向异性散射体，具有零OAM的平面波可以转换为携带非零OAM的涡旋光束。本文提出了两种新型的PEC（perfect electric conductor）-PMC（perfect magnetic conductor）各向异性超颖表面。一个是由方位连续的环路，另一个是由方位不连续的偶极子散射体。两种类型的超颖表面都安装在蘑菇型高阻抗表面上。与先前用于生成OAM的元表面设计相比，所提出的元表面设计实现了近乎完美的转换效率。由于消除了电场的垂直分量，连续超颖表面在近场区域显示出非常平滑的相位图案，这是由离散散射体组成的对流超颖表面所不能实现的。另一方面，具有离散偶极散射体的超颖表面显示出极大的灵活性以产生具有任意拓扑电荷的OAM。我们的工作对高性能OAM生成具有根本性和实际意义。
2016-02-15 physics.class-ph physics.optics
Infrared up-conversion imaging in nonlinear metasurfaces
红外成像是许多应用中的关键技术，包括夜视、自动驾驶汽车导航、光学断层扫描和食品质量控制。然而，传统的红外成像技术需要使用对热噪声敏感的窄带隙半导体等材料，并且通常需要低温冷却。在这里，我们展示了一种紧凑的全光学替代方案，在由GaAs半导体纳米天线组成的超表面中进行红外成像，使用非线性波混合过程。我们实验上展示了短波红外波长的上转换，通过相干参量过程的和频产生。在这个过程中，目标的红外图像在超颖表面内与强泵浦光束混合，在纳米级超薄成像设备中将图像从红外转换为可见光。我们的研究结果为开发紧凑型红外成像器件提供了新的机会，可应用于红外视觉和生命科学。
2021-01-05 physics.optics
Enhanced second harmonic generation in high-$Q$ all-dielectric metasurfaces with backward frequency conversion
本文利用全介质超表面中的高-Q quasi-BIC共振研究AlGaAs二次谐波产生，通过引入基波场非线性极化修正项建立耗尽模型，揭示了后向频率转换使SHG效率降低14.3%，为设计高效非线性超表面提供重要指导。
2024-06-12 physics.app-ph physics.optics
Orbital Angular Momentum Generation and Detection by Geometric-Phase Based Metasurfaces
我们提出了一个全面的审查几何相位为基础的元表面的轨道角动量（OAM）的产生和检测。这些超颖表面通过引入突变相位来操纵电磁波，突变相位强烈依赖于入射电磁波的偏振状态，并且可以用几何相位来解释。因此，可以避免传统的基于沿光路的累积相变的体器件。
2018-03-09 physics.optics
Phase-Induced Frequency Conversion and Doppler Effect with Time-Modulated Metasurfaces
超表面由电薄且密集封装的亚波长元件的平面阵列组成，使得能够对撞击电磁场进行前所未有的控制。空间调制的超颖表面可以有效地以极大的灵活性定制这些场的空间分布。类似地，时间调制超颖表面可以成功地用于操纵撞击场的频率内容和时间变化。在本文中，我们提出了时间调制的反射超颖表面，造成频率偏移的撞击辐射，从而实现了人工多普勒效应在一个不移动的电薄结构。从理论分析出发，我们解析推导出所需的时间调制的表面导纳，以实现这种效果，并提出了一个现实的时变结构，基于一个适当的设计和动态调谐的高阻抗表面。它是解析和数值证明，从超颖表面出现的字段是上，下变频的频率根据超颖表面的调制分布。所提出的超表面概念，使电磁场的频率调制的飞行，可以找到应用在电信，雷达和传感场景。
2021-02-03 physics.app-ph physics.optics
Nonlinear metasurfaces governed by bound states in the continuum
非线性纳米结构表面为非线性光学提供了范式转变，提供了在纳米尺度上控制和操纵频率转换过程的新方法，还为光子学、化学、材料科学和生物传感领域的应用提供了新的机会。在这里，我们开发了一种通用的方法，采用尖锐的共振超颖表面起源于物理的束缚态在连续的工程和增强的非线性响应。实验研究了由破碎的硅亚原子组成的超颖表面的三次谐波产生，发现谐波产生强度与非对称性参数密切相关。我们采用光与超颖表面共振的临界耦合的概念来揭示辐射和非辐射损耗对非线性转换效率的影响。
2019-05-14 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Arbitrary polarization conversion for pure vortex generation with a single metasurface
光学涡旋光束的纯度取决于其能量在不同方位角和径向模式之间的传播。这种扩散越小，涡流纯度越高，其产生和检测的效率越高。有几种方法来产生具有明确定义的轨道角动量的涡旋光束，但只有少数存在允许选择纯径向模式。这些通常由具有相当复杂的布置的许多光学元件组成，包括有源腔谐振器。在这里，我们表明，它是可能的，以产生纯涡旋光束使用一个单一的超颖表面板与偏振器相结合。我们推广了现有的理论，考虑任意输入偏振态的双折射纳米柱的独立相位和振幅控制。高纯度，相当大的创建效率和无法通过的紧凑性，使所提出的方法一个强大的复杂的振幅调制工具，纯涡旋产生，即使在大拓扑电荷的情况下。
2020-06-18 physics.optics
Broadband Low-loss Unidirectional Reflection On-chip with Asymmetric Dielectric Metasurface
本文提出一种沿传播方向锥形化并采用双翻转结构的非对称介质超表面，在多模波导中于200 nm带宽内实现低损耗前向传输、>80%模式转换和90%背向反射抑制。
2025-06-07 physics.optics
Parametric metasurfaces for amplified up-conversion of electromagnetic waves
提出参数化超表面新概念，通过调制双开口环谐振器中的可变电容实现自由空间电磁波频率上转换与放大，级联放大超20dB并突破Manley-Rowe极限，且能精确控制相位，适用于微波至亚太赫兹频段。
2025-03-19 physics.app-ph physics.optics
Third-Order Spontaneous Parametric Down Conversion in Dielectric Nonlinear Resonant Metasurfaces
本研究提出利用三阶自发参量下转换与三波和频产生的量子-经典对应关系估算光子三重态产生速率的通用方案，将其应用于支持连续谱准束缚态的非线性超表面，预测出可调谐三光子发射，为相关建模提供新方法并凸显超表面作为紧凑型量子光源的潜力。
2025-09-04 physics.optics
Arbitrary Polarization Conversion Dichroism Metasurfaces for All-in-One Full Poincaré Sphere Polarizers
偏振的控制是光的基本性质，具有广泛的科学和技术兴趣。起偏器是实现直接偏振产生不可缺少的光学元件。然而，除了常见的线偏振和圆偏振之外，任意偏振的产生严重依赖于通过级联线偏振器和波片的庞大光学组件。本文提出了一种基于理想任意偏振转换二向色性的全庞加莱球偏振器的设计方法，并在单层全介质超颖表面上实现。它允许位于庞加莱球任意位置的一个偏振态优先传输和转换到其旋向性翻转状态，同时完全阻止其正交状态。与以前的工作相比，只有线性或圆偏振的灵活性有限，我们的方法表现出完美的二向色性接近100%的理论和超过90%的实验中的任意偏振态。利用这种诱人的二向色性，我们直接从非偏振光演示单片全庞加莱球偏振发生器可以极大地扩展元光学的范围，并大大推动最先进的纳米光子器件。
2020-06-11 physics.optics
Passive Lossless Huygens Metasurfaces for Conversion of Arbitrary Source Field to Directive Radiation
我们提出了一个半解析公式之间的相互作用，一个给定的源场和标量惠更斯元表面（HMS），最近推出的有前途的概念波前操纵的基础上的一张正交的电和磁偶极子。利用这些超颖表面的等效表面阻抗表示，我们建立了一个任意的源场可以通过一个被动的无损HMS转换成定向辐射，如果两个物理条件得到满足：本地功率守恒和本地阻抗均衡。通过其平面波频谱和利用缓慢变化的包络近似表示的字段，我们获得半解析公式的散射场，并规定所需的超表面实现的表面电抗。由此产生的设计过程表明，局部阻抗均衡引起的菲涅尔反射，而局部功率守恒形成辐射虚拟孔径，它遵循总的激励场的大小。半解析预测验证了有限元模拟的HMS设计用于不同的源配置。除了作为HMS辐射器的灵活设计程序，所提出的配方还提供了一个强大的机制，将各种源配置到一般的HMS模型，以及物理洞察的条件下，使纯粹的反应实现这种新型的元表面。
2014-09-03 physics.optics
Near-unity third-harmonic circular dichroism driven by quasi-BIC in asymmetric silicon metasurfaces
我们使用数值模拟来证明三次谐波产生与近1的非线性圆二色性（CD）和高转换效率（$ 10^{-2}\ \text{W}^{-2}$）在非对称Si-on-SiO $_2$超颖表面。其工作原理依赖于连续介质中准束缚态的选择性激发，其特征在于具有非常高的（$>10^5$）质量因子。通过改变超颖表面的几何参数来调节多模干涉，我们证明了线性CD和非线性CD独立控制的可能性。我们的研究结果铺平了道路的发展全介质超颖表面的非线性手征光学器件具有高转换效率。
2022-02-18 physics.optics
Quasi-Continuous Metasurfaces for Orbital Angular Momentum Generation
提出了一种用于轨道角动量产生的准连续复合理想电导体-理想磁导体超颖表面和系统的超颖表面设计方法。超颖表面将入射的左旋圆偏振（LCP）/右旋圆偏振（RCP）平面波反射到携带正交或斜向OAM的RCP/LCP涡旋光束。与由离散散射体组成的常规超颖表面不同，所提出的超颖表面上的散射体形成准连续图案。超颖表面的图案化通过光栅矢量计算，并且不需要单个散射体的优化。此外，还避免了离散散射体的局部响应不连续性带来的失真。这封信为高质量的OAM生成提供了极大的便利。
2019-03-04 physics.class-ph physics.optics
Efficient single-photon pair generation by spontaneous parametric down-conversion in nonlinear plasmonic metasurfaces
自发参量下转换（SPDC）是产生纠缠关联单光子对的最常用的非线性光学技术之一。然而，它的效率非常差，导致极弱的光子产生速率。在这里，我们提出了一个等离子体超颖表面设计的基础上银纳米条纹结合散装铌酸锂（LiNbO3）晶体，实现一个新的可扩展的，可扩展的，高效的SPDC源。通过使超颖表面的基本和更高阶谐振分别与所生成的信号和空闲频率一致，非线性介质中的电场被显著地增强。这导致了SPDC过程的显著增强，随后，通过使用量子经典对应原理，SPDC过程转化为非常高的光子对产生速率。与相关的电介质结构相反，发射的辐射是高度定向的并且垂直于超颖表面。圆偏振激发的结合进一步增加了光子对产生效率。所提出的工作将导致设计在室温下工作的新的有效的SPDC单光子纳米光子源，预计将成为自由空间量子光通信的关键部件。在更广泛的背景下，我们的研究结果可以在量子等离子体激元学的新兴领域中找到各种应用。
2021-11-18 physics.optics quant-ph
Multifunctional Metasurface: Simultaneous Beam Steering, Polarization Conversion and Phase Offset
提出基于变容二极管的可重构多功能超表面，通过调控正交分量反射相位，在单一原型上同时实现波束偏转、极化转换与相位偏移。
2023-07-27 physics.app-ph physics.optics
Polarization-Encrypted Orbital Angular Momentum Multiplexed Metasurface Holography
超表面全息术具有通过薄层实现复杂波前调制的优点，并与计算机全息成像技术相结合。尽管众所周知的光参数，如振幅，相位，偏振和频率，光束的轨道角动量（OAM）可以被视为另一个自由度。在这里，我们提出并证明了轨道角动量复用在不同的偏振信道使用双折射超表面全息加密。OAM选择性全息信息的再现需要精确的拓扑电荷和特定的偏振态。通过使用具有不同拓扑电荷的入射光束作为擦除器，我们模拟了重建图像的超分辨率情况，类似于显微镜中众所周知的STED技术。多个偏振通道与轨道角动量选择性的组合为全息加密提供了更高的安全级别。这种技术可以应用于光束整形、光学伪装、数据存储和动态显示。
2020-05-20 physics.optics
A reconfigurable non-linear active metasurface for coherent wave down-conversion
提出一种非线性有源电子-光子超表面，通过光学同步芯片阵列实现193THz光波到28GHz毫米波的下变频与波束转向，演示了60°转向和2Gb/s数据传输，为下一代通信提供低复杂度、高带宽链路。
2024-11-15 eess.SP physics.optics
Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in ultra-thin metasurfaces with arbitrary topological charges
与光束的螺旋相位波前相关的轨道角动量为经典和量子通信提供了无界的\qo{space}。在产生和操纵光的轨道角动量状态的不同方法中，自旋和轨道角动量之间的耦合允许更快地操纵轨道角动量状态，因为它取决于操纵光的偏振状态，这比操纵传统的轨道角动量发生器更简单并且通常更快。在这项工作中，我们设计和制造了一个超薄的自旋到轨道角动量转换器，基于等离子体纳米天线和工作在可见光波长范围内，能够将自旋转换为任意值的OAM $\ell$。纳米天线在波束的横向平面中排列成具有明确定义的几何形状的阵列，具有特定的整数或半整数拓扑电荷$q$。当圆偏振光束穿过该超颖表面时，输出光束偏振切换手性，并且OAM的值每光子改变$\ell = \pm2q\hbar$。我们实验证明$\ell$值范围从$\pm 1$到$\pm 25$，转换效率为$8.6\pm0.4~\%$。我们的超薄器件是可集成的，因此适用于量子通信，量子计算和纳米级传感的应用。
2014-07-21 physics.optics
Metasurface-assisted phase-matching-free second harmonic generation in lithium niobate waveguides
相位匹配条件是非线性波长转换过程中的一个重要条件，它要求参与转换过程的光子动量守恒。传统上，非线性相位匹配使用双折射或周期性极化的非线性晶体来实现，这需要仔细的色散工程并且通常是窄带的。近年来，由密集排列的光学天线阵列组成的超颖表面已经被证明可以提供有效的光学动量来以任意方式弯曲光。在这里，我们证明了梯度超颖表面结构组成的相控阵天线能够规避相位匹配的要求，在片上非线性波长转换。我们实验证明了在具有梯度超颖表面图案化的薄膜锂酸盐波导中，可以在许多相干长度上产生无相位匹配的二次谐波。在宽范围的泵浦波长（1580 - 1650 nm）上观察到基于超颖表面的器件中的有效二次谐波产生（1660%W-1cm-2）。
2017-08-09 physics.optics
Exact solution for surface wave to space wave conversion by periodical impenetrable metasurfaces
我们表明，存在一个精确的解决方案，确保完全转换的一个单模表面波沿阻抗边界传播到一个单一的平面波沿所需的方向在边界上方的自由空间中传播的无损耗和互易周期性表面阻抗。与已知的漏波天线的实现相反，这里发现的最佳表面电抗调制确保了辐射表面附近的场的Floquet波扩展的倏逝高阶模式的存在。因此，表面波携带的所有能量都用于将单个非均匀平面波发射到空间中，而不会在高阶模式中积累无功能量。该研究的结果预计将有助于创造具有最终效率的漏波天线，此外，还可能导致从微波到纳米光子学的新应用。
2019-05-14 physics.class-ph physics.optics
Optical chirality of membrane metasurfaces with broken in-plane symmetry
Research School of Physics, Australian National University（澳大利亚国立大学物理研究学院）；Department of Physics, Indian Institute of Technology Bombay（印度理工学院孟买分校物理系）
本文研究单层介质膜超表面在面内对称性破缺下的手性光学特性，发现通过打破面内镜像对称和旋转对称可实现强共振圆转换二色性，并利用手性耦合模理论推导了选择规则。
2026-10-16 physics.optics
Geometric Metasurface Fork Gratings for Vortex Beam Generation and Manipulation
近年来，具有轨道角动量的涡旋光束由于其在大容量光通信中的应用潜力而受到广泛关注。这种能力源于轨道角动量（OAM）的无界拓扑荷，它为编码信息提供了无限的自由度。产生涡旋光束的两种最常见的方法是通过叉形衍射光栅和螺旋相位板。虽然传统的螺旋相位板的实现需要复杂的3D制造，但新兴的超颖表面领域为产生任意轨道角动量的涡旋光束提供了平面和简便的解决方案。在这里，我们实现了一种新型的几何超颖表面叉光栅，无缝地结合了超颖表面相位板的功能，用于产生涡旋光束，和线性相位梯度超颖表面的功能，用于控制波的传播方向。因此，超颖表面叉形光栅能够同时控制光的自旋和轨道角动量。
2016-05-03 physics.optics
Nonlinear wavefront control by geometric-phase dielectric metasurfaces: Influence of mode field and rotational symmetry
非线性Pancharatnam-Berry相位超颖表面通过利用光子自旋相关的非线性几何相位来促进频率转换过程的非平凡相位调制。然而，由于等离子体纳米结构固有的高欧姆损耗和低损伤阈值，等离子体超颖表面在非线性频率转换方面显示出一些严重的限制。在这里，我们系统地研究了非线性几何相位与三次谐波产生过程中发生的全介质超颖表面，这是由不同的面内旋转对称的硅纳米鳍。我们发现，谐振基波场的不同场分量之间的波耦合引起所产生的三次谐波信号的不同的非线性几何相位的外观。我们的理论很好地解释了实验观察到的非线性光束转向和非线性全息实现的全介质几何相位超颖表面的工作。我们的工作提供了一个新的物理图片，以了解发生在纳米介质谐振器的非线性光学过程，并将有助于设计具有定制的相位特性的非线性超颖表面。
2020-04-09 physics.optics
Resonantly tunable second harmonic generation from lithium niobate metasurfaces
二次谐波（SHG）是一种相干非线性现象，在激光颜色转换中起着重要的作用。锂酸锂（LN）具有大的禁带宽度和突出的二阶非线性，是一种重要的非线性频率转换材料，其光谱范围从紫外到中红外。在这里，我们实验证明LN超颖表面具有可控的SHG性能。在米氏共振处观察到SHG效率的明显增强。通过改变超颖表面的几何参数以及共振，我们能够选择性地提高不同波长下的SHG效率。我们的研究结果将为开发高灵活性的新型紧凑型非线性光源的应用，如生物传感和光通信铺平了道路。
2020-10-26 physics.optics
Spin- and orbital-Hall effect in cyclic group symmetric metasurface
光具有自旋和轨道角动量（AM）。而自旋AM由圆偏振的螺旋度决定，轨道AM由涡旋光束的拓扑荷决定。AM与光束轨道的相互作用产生光学自旋霍尔效应或轨道霍尔效应，表现为光束的自旋相关或拓扑电荷相关的横向位移。AM的守恒使得能够实现自旋到轨道AM转换，其中圆偏振高斯光束被转换为具有拓扑电荷$\pm 2$的相反螺旋度圆偏振涡旋光束，这是通过自旋翻转控制空间光束轮廓的示例。然而，所得到的涡旋光束具有光束重心不变，与入射高斯光束相同，意味着零横向位移。在这里，我们介绍了一个循环群对称的超颖表面演示涡旋光束的产生表现出自旋相关的横向位移，即自旋和轨道霍尔效应，归因于根据循环群的顺序$n$的散射光束的动力学相位的改变，同时保持几何相位常数。通过自旋和轨道霍尔效应产生横向位移的自旋控制空间光束轮廓的能力对于利用轨道AM模分复用的光通信中的空间解复用以及对于涉及涡旋光束的光涡旋镊子和信号处理具有重要意义。
2016-08-17 physics.optics
Realization of spin-dependent splitting with arbitrary intensity patterns based on all-dielectric metasurfaces
报道了基于全介质超颖表面实现任意强度模式的自旋相关分裂。与等离子体超表面相比，全介质超表面具有更高的传输效率和转换效率，使得实现任意强度模式的自旋相关分裂成为可能。我们的发现为自旋光子的产生和操纵提供了一种方法，从而为开发基于自旋的纳米光子应用提供了可能性。
2015-05-10 physics.optics
Wavelength-selective nonlinear wavefront control in resonant thin-film lithium niobate metasurfaces
Tampere University（坦佩雷大学）；Aalto University（阿尔托大学）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；Université Côte d’Azur（蔚蓝海岸大学）；Colorado School of Mines（科罗拉多矿业学院）
本文通过共振工程相位控制，在薄膜铌酸锂超表面中实现了对二次谐波产生的光谱选择性整形，将1100 nm高斯泵浦光转换为550 nm一阶厄米-高斯模式。
2026-06-01 physics.optics
Control of Orbital Angular Momentum Regimen by Modulated Metasurface Leaky-Wave Antennas
在本文中，我们提出了调制超颖表面漏波天线（MMLWA）的设计过程中产生的涡旋光束的同轴叠加与几个轨道角动量（OAM）状态。基于平面光学（FO）技术和孔径场估计（AFE）方法，提出了一个分析框架，以促进实施MMLWA产生多个拓扑电荷的OAM方案。此外，使用的频谱分析，这已来自所提出的模型，我们已经表明，孔径形状的对称性可以影响模式的纯度。此外，完美对称的圆形形状被引入作为高纯度涡流产生的理想选择。这种具有嵌入式双馈的单孔径天线可以是更复杂的涡旋波束发生器（诸如螺旋相位板和圆形天线阵列）的适当替代方案。
2021-10-23 physics.app-ph physics.optics
Manipulation of Orbital Angular Momentum Spectrum Using Shape-Tailored Metasurfaces
携带轨道角动量的涡旋光束在电磁、光学和量子系统中有着广泛的应用。一个定制的OAM频谱组成的几个特定的模式，如预期持有的承诺，扩大系统的自由度。然而，这样的宽带高纯度定制光谱是难以实现的现有设备，其中宽带振幅操纵尚未被探索。在这项工作中，受调制理论的启发，提出了一种优雅和通用的方法来操纵OAM频谱在宽带宽，通过使用形状定制的元表面。首先，证明了三角形晶格上的旋转亚原子具有比正方形晶格上更小的耦合畸变，这一行为对于Pancharatnam-Berry基超颖表面产生高纯度涡旋谱至关重要.其次，在超颖表面的空间排列和产生的涡旋光束之间建立了普遍的调制关系。最后，通过形状定制的超表面，从理论和实验上证明了宽带调制OAM光谱和梳状OAM光谱。提出的幅度调制方案为在宽带范围内实现OAM频谱的调控提供了一种新的思路和工程实现途径，将促进基于OAM的应用的发展。
2021-01-26 physics.app-ph physics.optics
Orbital chiral lasing in twisted bilayer metasurfaces
通过键合和旋转两个半导体薄膜超表面构建 Moire 型扭曲双层光子结构，利用其固有结构手性在 250 nm 宽光谱范围内实现了单模轨道手性激光，首次在扭曲光子学中观察到轨道手性激光。
2025-06-25 physics.optics
Continuous Wave Second Harmonic Generation from an Etchless Lithium Niobate Resonant Metasurface
The Hebrew University of Jerusalem（耶路撒冷希伯来大学）
本文展示了一种无蚀刻锂铌酸盐共振超材料平台，实现连续波二次谐波产生，通过指导模式共振耦合、低光学损耗和CMOS兼容工艺，实现高质量因子和高转换效率，揭示了连续波共振二次谐波产生中的瞬态动力学特性。
2026-04-20 physics.optics
Ultrathin Complementary Metasurface for Orbital Angular Momentum Generation at Microwave Frequencies
具有螺旋波阵面的电磁波携带轨道角动量（OAM），其与复电场的方位角相位相关联。OAM是电磁波中的一种新的自由度，在通信系统的信道复用中具有广阔的应用前景。虽然载OAM的电磁波引起了越来越多的关注，但在微波频率下产生OAM的方法仍然面临挑战，例如效率和仿真时间。在这项工作中，通过使用电路理论和等效原理，我们建立了两个简化的模型，一个为单个散射和一个为整个元表面预测其电磁响应。这两种模型大大简化了设计过程，减少了仿真时间。在本文中，我们提出了一种互补的超颖表面，将没有OAM的左手（右手）圆偏振平面波转换为具有任意阶OAM的右手（左手）圆偏振波，并且可以实现高传输效率。
2016-11-09 physics.class-ph physics.optics
Giant Second Harmonic Generation from 3R-MoS$_2$ Metasurfaces
本研究利用3R-MoS$_2$超表面中的准束缚态实现巨二次谐波产生，通过高Q因子和优化扭转角使SHG强度增强2000倍，转换效率达约1%，为非线性光学应用提供新途径。
2025-03-26 physics.app-ph physics.optics
Wavefront Control and Intensity Modulation of Third Harmonic Generation in Nonlocal Metasurfaces
Peking University（北京大学）；Nanchang University（南昌大学）；Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）
本研究通过非局域超材料实现第三谐波生成的波前控制与强度调制，展示了高转换效率和相位调制能力。
2026-02-02 physics.optics
Approaching the Fundamental Limit of Orbital Angular Momentum Multiplexing Through a Hologram Metasurface
建立和接近轨道角动量复用的基本极限是当前多输入多输出研究的必要和日益紧迫的问题。在这项工作中，我们阐述了独立的散射通道（或散射场的自由度）的基本限制，通过角谱分析，结合严格的格林函数方法。散射信道限制对于任意空间模式复用是通用的，其由具有预定义物理尺寸的平面电磁设备（诸如天线、超颖表面等）发射。作为概念的证明，我们从理论上和实验上证明了超表面全息图的极限，该全息图将正交OAM模式转换为在临界分离的角光谱区域散射的平面波模式。特别地，应用极小极大优化算法抑制角频谱混叠，在微波频率下的全波仿真和实验测量中均取得了良好的性能。该工作为OAM复用的工程设计提供了理论上界和相应的实现途径。
2022-01-01 physics.app-ph physics.optics
Second-harmonic imaging of plasmonic Pancharatnam-Berry phase metasurfaces coupled to monolayers of WS2
频率转换的非线性过程，如二次谐波产生（SHG），通常遵循一定的选择规则，这是由于保持不同种类的物理量，例如，角动量对于由单层过渡金属二硫属化物（TMDC）如WS 2产生的SHG，谷激子锁定选择规则预测了交叉偏振态的SHG信号。通过将等离子体纳米结构与TMDC单层相结合，实现了由于额外的偏振转换过程而影响该非线性过程的混合超颖表面。在这里，我们观察到，等离子体超颖表面修改与TMDC的光-物质相互作用，导致相对于入射场共偏振的SHG信号，这通常是禁止的TMDC单层。我们通过将等离子体纳米棒放置在单层WS 2的顶部来制造这样的混合超颖表面，并研究了这种系统在不同参数（例如波长和偏振）下的谷激子锁定SHG发射。此外，我们显示了潜在的混合元表面定制的非线性过程中添加额外的相位信息的SHG信号使用Pancharatnam-Berry相位效应。这允许将SHG发射直接定制到远场。
2020-04-08 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Space-Time Modulated Loaded-Wire Metagratings for Magnetless Nonreciprocity and Near-Complete Frequency Conversion
近年来，利用时空调制实现无磁非互易性在电磁学和声学领域都取得了重大进展。到目前为止，这种方法导致了过多的非互易设备，如隔离器和环行器，在不同的频谱部分，导波。另一方面，对于在自由空间中传播的波的非互易装置，已经进行了非常少的工作，其也可以具有许多实际应用。例如，理论上表明，如果表面阻抗算子在空间和时间上连续调制，则可以获得超颖表面的非互易散射。然而，实现这种超颖表面的主要挑战是由于在空间和时间上调制构成超颖表面的许多亚波长单位单元所需的高复杂性。在本文中，我们表明，时空调制的metagrates可以导致强烈的非互易性的反应，尽管事实上，他们是基于电大的单位细胞。我们特别专注于加载时间调制电容的金属丝元器件。我们使用离散偶极近似和特设的时间调制粒子的极化率理论的推广，并证明了一个有效的非互易异常反射（衍射）与有效的频率转换。因此，我们的工作开辟了一个场地，走向一个实际的设计和实施的高度非互惠无磁超颖表面在电磁学和声学。
2019-06-17 physics.app-ph physics.optics
