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
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
All-optical scattering control in an all-dielectric quasi-perfect absorbing Huygens metasurface
本文在硅基准完美吸收惠更斯超表面上，通过光热效应实现了对前向和后向散射的全光动态控制，后向散射截面加倍而前向减半，为硅光子器件提供了新方案。
2022-10-03 physics.optics
Experimental Verification of Reflectionless Wide-Angle Refraction via a Bianisotropic Huygens' Metasurface
我们报告的设计，制造和表征的双各向异性惠更斯超颖表面（BHMS）的折射垂直入射光束向71.8度。如前所示，需要所有三个BHMS自由度，即电极化率、磁极化率和Ω型磁电耦合，以确保对于这种广角阻抗失配不发生反射。单元电池由三层金属层组成，形成印刷电路板（PCB）结构。所制造的BHMS的特征在于在准光学设置，用于准确地评估镜面反射。随后，喇叭照明BHMS的辐射图案在远场室中测量，以评估设备的折射特性。测量结果表明，BHMS具有可忽略的反射，并且大部分散射功率耦合到所需的Floquet-Bloch模式。据我们所知，这是第一次实验证明这样一个无反射的广角折射超颖表面。
2017-03-20 physics.optics
Frequency-selective terahertz wave amplification by a time-boundary-engineered Huygens metasurface
本文利用飞秒激光在惠更斯超表面中引入时间边界，通过超快Q开关和共振频率移动实现频率可调、强度放大超过20%的太赫兹波放大。
2024-07-03 physics.optics
Analytical Scattering Solution of Huygens' Refracting Metasurfaces Reveals Unknown Functionalities
折射惠更斯超颖表面的散射被重新审视。一个新的解析封闭形式的解决方案下的二维问题的横向电（TE）平面波入射-一个解决方案，它给出了任何（面内）的入射角和频率的散射。在获得解决方案的过程中，有趣的数学概念被认为是-如解决和强制唯一性后，一个无限的方程组。所得到的解决方案揭示了两个以前未知的功能折射惠更斯超颖表面-即无反射折射和斜吸收。
2022-11-04 physics.class-ph physics.optics
Chiral Huygens metasurfaces for nonlinear structuring of linearly polarized light
我们报告了一种手性纳米结构，我们称之为“蝴蝶纳米天线”，当用于超颖表面时，允许将线性偏振光束直接转换为任意复杂度的非线性光学远场。蝶形纳米天线在其间隙中对于每个入射线性偏振都表现出场增强，这可以被用来驱动间隙内的非线性光学发射器，用于在线性等离子体不可访问的频率范围内结构化光。由于间隙中的场的偏振、相位和振幅是高度受控的，因此间隙中的非线性发射器表现为理想化的惠更斯源。因此，提出了一种通用框架，其中蝶形纳米天线可以布置在表面上以产生具有高纯度的高度结构化的远场非线性光束。一个第三谐波拉盖尔-高斯光束携带的光学轨道角动量为41的演示作为一个例子，通过大规模的模拟上的高性能计算平台的全等离子体元表面的面积大到足以容纳多达3600个纳米天线。
2016-09-24 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
Refraction efficiency of Huygens' and bianisotropic terahertz metasurfaces
超表面是一种实现复杂波操纵功能的技术，包括在太赫兹频率范围内，它们有望推进安全，成像，传感和通信技术。对于传输操作，通常使用惠更斯的超颖表面，因为它们与周围介质的良好阻抗匹配最小化反射并最大化传输。最近的理论工作表明，惠更斯的超颖表面是非最佳的，特别是对于大的折射角，并且为了消除反射和虚假衍射光束，有必要使用双各向异性超颖表面。然而，考虑到在用真实元原子实现元表面设计时出现的所有非理想特征，当使用双各向异性元表面时，效率改进的显著性还有待证明。在这里，我们比较了具体的太赫兹超颖表面设计的基础上惠更斯和欧米茄型双各向异性的方法，证明异常折射角为55度，和70度。我们表明，对于55度的较低角度，当使用双各向异性设计时没有显著的改善，而对于70度的折射，双各向异性设计显示出更高的效率和折射到设计方向的保真度。我们还证明了近场相互作用所造成的强扰动，细胞之间和细胞内，我们使用数值优化补偿。
2018-12-11 physics.app-ph physics.optics
Cavity-excited Huygens' metasurface antennas: near-unity aperture efficiency from arbitrarily-large apertures
天线工程中的一个长期存在的问题是使用低剖面器件实现高方向性波束。在本文中，我们提供了一个解决这个问题的方法惠更斯元表面（HMS）的基础上，等效原理。该原理指出，给定的激励可以通过感应合适的表面电流和磁电流转换为期望的孔径场。基于这一概念，我们提出并演示了腔激励HMS天线，其中单源腔激励被设计为优化孔径照明，而HMS促进电流分布，确保孔径场的相位纯度。HMS打破了标准部分反射表面典型的激发和辐射光谱之间的耦合，允许定制孔径特性以产生期望的辐射图案。如图所示，一个单一的半解析形式主义可以遵循实现控制的各种辐射功能，如主波束的方向或旁瓣电平，通过适当的修改的HMS和源的位置。依赖于腔激发，这可以在不引起边缘锥形损耗的情况下实现，并且对于任意大的孔径，孔径照明没有任何退化。随着惠更斯的超颖表面在微波，太赫兹和光学频率的最新演示，所提出的低剖面设计可能会在整个电磁波谱的无数应用中找到它的用途，从高定向天线到高效的量子点发射器，达到接近统一的孔径效率。
2015-07-27 physics.optics
In-line Dispersion Control of Femtosecond Laser Pulses by Multilayer Huygens' Metasurfaces
Friedrich-Schiller-University Jena（耶拿弗里德里希·席勒大学）；Australian National University（澳大利亚国立大学）；Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF（弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所）
本研究实验展示了多层惠更斯超表面实现对飞秒激光脉冲的在线色散控制，无需空间分离光谱成分，累积相位达8π，群延迟色散约3969 fs²，有效补偿啁啾并压缩脉冲，提供紧凑可扩展的集成平台。
2026-10-07 physics.optics
Broadband transparent Huygens' spaceplates
本文设计并分析了基于惠更斯条件的空间板，证明其空间压缩能力为传统单共振空间板的两倍，并具有更宽带宽、更高数值孔径和近全透明特性，可用于光学系统小型化。
2024-03-07 physics.optics
Bipartite Dielectric Huygens' Metasurface for Anomalous Refraction
本文提出一种无反射的粗离散化二部电介质惠更斯超表面，通过全波仿真验证其在28GHz下能以87%的高效率实现异常折射，为高频波操控提供了低损耗且鲁棒的设计平台。
2023-02-01 physics.app-ph physics.class-ph physics.optics
Optical dielectric huygens metagrating performing near unity anomalous refraction at TM mode with extremely simple design
本文提出一种每周期仅含一个元原子的极简惠更斯超构光栅，通过激进离散化设计在TM模式下实现94%效率的近无损异常折射，并厘清了超构光栅与超构表面的界限。
2023-04-15 physics.optics
Large-scale Huygens metasurfaces for holographic 3D near-eye displays
新的显示技术旨在为用户提供越来越身临其境的体验。在这方面，生成具有高分辨率和连续深度的三维（3D）场景是一个长期追求的梦想，该场景可以与现实世界叠加。然而，目前这样做的尝试未能提供真正的3D信息或大的观看区域和角度，从而严重限制了用户沉浸感。在这里，我们报告了这个问题的概念验证解决方案，并实现了具有10 mm x 8.66mm的大出瞳的紧凑型全息3D近眼显示器。3D图像是从具有大（>10^8）像素数和亚波长像素的高度透明的惠更斯超颖表面全息图生成的，该全息图通过深紫外浸没光刻法在300 mm玻璃晶片上制造。我们通过实验展示了高质量的虚拟3D场景，具有约50 k个活动数据点，连续深度范围从0.5米到2米，与真实世界重叠，易于肉眼观察。为此，我们引入了一种新的全息近眼显示器的设计方法，该方法本质上能够提供视差和调节提示，从根本上解决了当前商业3D显示器中存在的聚散度-调节冲突。
2020-10-09 physics.optics
A Reconfigurable Active Huygens' Metalens
超颖表面通过在波长的一小部分内操纵亚波长人工结构来实现控制电磁波的新范例。尽管增长迅速，但同时实现低维度，高传输效率，实时连续可重构性以及各种可重新编程功能仍然非常具有挑战性，迫使研究人员在一个设计中实现上述功能中的一个或几个。在这项研究中，我们报告了一个亚波长可重构惠更斯超颖表面实现负载可控有源元件。我们所提出的设计提供了一个统一的解决方案，有效的惠更斯元表面的实时本地可重构性的上述挑战。作为一个示例性演示，我们在微波频率下实验性地实现了可重构超透镜，据我们所知，这首次证明了多个和复杂的焦点可以在不同的空间位置处同时控制，并且可以以任何期望的方式重新编程，具有快速的响应时间和高效率。所提出的有源惠更斯超透镜可以为实时、快速和复杂的电磁波操纵提供前所未有的潜力，例如动态全息、聚焦、光束成形/转向、成像和有源发射控制。
2017-02-07 physics.optics
Dichroic Dual-Angle Refractor: Multi-Cell Huygens' Metasurface-Based Circuit Approximation
Department of Physics, University of Rome ‘La Sapienza’, Rome, Italy（罗马大学）
本文基于Huygens超材料模型，通过多单元谐振电路近似设计双角偏振双折射器，探讨了折射角度参数空间的分析近似，并分析了低频衍射极限对单元数量的影响及理想性能的偏差来源。
2026-03-13 astro-ph.IM physics.optics
Constructive and Destructive Interference of Kerker-type Scattering in an Ultra-thin Silicon Huygens Metasurface
高折射率介电纳米粒子通过多极模的干涉为奇异光的操纵提供了一个新的平台。Kerker效应是惠更斯源设计的一个例子。而不是利用电偶极子和磁偶极子之间的干扰，在许多传统的惠更斯源的设计，我们探讨Kerker型抑制后向散射介导的主导电偶极子，环形偶极子和磁四极。这些模式提供了一个设计和制造的CMOS兼容的超薄硅纳米盘metasurface与抑制磁偶极子的贡献，并通过多极分解验证。采用半解析传递矩阵模型考虑了非平凡衬底效应。该模型成功地预测了所观察到的反射倾角。通过应用建设性和相消干涉的一般标准，它示出，而建设性的干扰之间发生的电和环形偶极子的贡献，实验观察到的抑制后向Kerker型散射产生的向后散射的贡献之间的相消干涉由于总电偶极子和磁四极子。我们的研究为新型惠更斯源或超颖表面设计铺平了道路，例如奇特的横向Kerker散射。
2020-12-22 physics.class-ph physics.optics
Design of reconfigurable Huygens metasurfaces based on Drude-like scatterers operating in the epsilon-negative regime
本研究提出基于负介电常数区类Drude散射体的可重构惠更斯超表面设计，通过电偶极与四极共激满足广义Kerker条件实现全透射，为波束转向器件的可重构集成提供新途径。
2024-03-22 physics.app-ph physics.optics
Discrete Huygens' Metasurface: Realizing Anomalous Reflection and Diffraction Mode Circulation with a Robust, Broadband and Simple Design
由亚波长单元组成的超颖表面通常需要大量的单元，这导致了复杂的设计和优化。元表面中的积极离散化可以显著减少一段时间内的单位单元的数量，从而导致对相位和/或表面阻抗覆盖的较低要求。此外，放大的单位单元在组合在一起时将遇到可忽略的相互耦合，因此使超表面设计的过程变得简单。这些优点结合起来允许设计一类新颖的超表面，其支持电磁（EM）波在宽带宽和操作角上的高效重定向。此外，积极离散化的超表面可以实现诸如衍射模式循环的功能，这些功能在其连续对应物中是不受支持的。本文提出了一种简单的透射超颖表面，它可以通过将入射角为-45，0，45 °的平面波分别折射成折射角为0，45，-45 °的平面波来实现衍射模循环。在28 GHz的设计频率下，每种反常折射的功率效率均大于80%，3 dB功率效率带宽为11%。制作了超颖表面并进行了测量，实验结果与模拟结果吻合较好。
2022-01-12 physics.app-ph physics.optics
Hybrid silicon-organic Huygens' metasurface for phase modulation
本文提出一种硅-有机惠更斯超表面电光调制器，通过仿真实现近全透射和全2π相位覆盖，在1330 nm下获得140°相位调制，为高速空间光调制器提供新方案。
2023-08-31 physics.app-ph physics.optics
Physical Design and Experimental Verification of a Huygens' Metasurface Two-lens System for Phased-array Scan-angle Enhancement
在过去的几十年里，许多天线罩的设计，以扩大相控阵天线的角扫描范围已经设计出利用介电材料和超材料。最近，诸如平面透镜和光束偏转器的超表面技术已经应用于相控阵列，使得扫描角增强器能够具有低轮廓。在这项工作中，一个物理惠更斯超颖表面（HMS）双透镜系统的扫描角倍的相控阵列。对于HMS单元，部署线环拓扑以实现所需相位角偏移的高传输。通过全波仿真和实验对所提出的双透镜系统进行了分析。仿真结果表明，当入射角小于15°时，扫描角可增加一倍，满足设计要求。此外，折射光束的方向性退化的双HMS透镜是符合理论。最后，在10 GHz下，实验验证了具有两个15 λ长× 15λ宽的超颖表面透镜和16{ \times }16单元贴片天线阵列作为源的双透镜系统。实验结果与模拟结果吻合较好，在{ \pm }2°扫描误差下，显示出倍角性能。
2022-11-02 physics.app-ph physics.optics
Generalized Huygens' condition as the fulcrum of planar nonlocal omnidirectional transparency: from meta-atoms to metasurfaces
本文提出广义惠更斯条件，利用切向与法向极化率平衡及平面结构非局域机制，实现从超原子到 PCB 级联超表面的全角度无反射透明。
2023-09-13 physics.app-ph physics.optics
Design of a Dichroic Transmissive Huygens' Metasurface Unit-Cell Presenting Refraction Angle Duality
University of Rome ‘La Sapienza’（罗马大学）；INAF-Arcetri Astrophysical Observatory（意大利国家天体物理研究所阿切特里天文台）
本文提出一种双频双折射角的Huygens超材料单元，通过平面波照射推导电路参数，实现两个频率带的不同折射角。通过约束参数提升精度，并通过模拟验证电路参数与平行'狗骨'结构的几何关系。
2026-03-13 astro-ph.IM physics.optics
In-situ integrated nonlocal Huygens metasurfaces enable robust vortex beams from multimode fibers
Zhejiang Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization, Department of Electronic Science and Engineering, School of Engineering, Westlake University（西湖大学工程学院电子科学与工程系三维微纳加工与表征浙江省重点实验室）；Westlake Center for Micro/Nano Fabrication, Westlake University（西湖大学微纳加工中心）；Eastern Institute of Technology（宁波东方理工大学）
该研究将硅非局域惠更斯超表面原位集成到多模光纤端面，无需预补偿即可将散斑图案转为涡旋光束，提升了抗光纤扰动的鲁棒性，为多模光纤结构光应用提供了紧凑平台。
2026-08-11 physics.app-ph physics.optics
Active Huygens' metasurface based on in-situ grown conductive polymer
本文提出一种基于原位生长导电聚合物的有源惠更斯超表面，实现高速、长寿命、无滞后及高对比度的电控光学响应，满足显示应用需求，为紧凑电光超器件奠定基础。
2023-05-12 physics.app-ph physics.optics
Transmission magnitude and phase control for polarization-preserving reflectionless metasurfaces
对于电磁超颖表面的透射应用，亚波长惠更斯超原子阵列通常用于消除反射并实现高传输功率效率以及宽的传输相位覆盖。我们表明，低反射和完全控制传输的基本原理是不对称散射到镜面反射和传输方向，结果从对称和反对称散射分量的叠加，惠更斯的元原子是一个例子配置。提出了一种适用于TM偏振斜入射的亚原子结构，该结构包括法向和切电极化的强度，具有无反射、全功率传输、$2π$传输相位覆盖和全吸收的特性。对于有损耗的超颖表面，我们表明，一个完整的相位覆盖仍然是无反射设计的任何值的吸收率。在微波和光学制度的数值例子。
2018-01-30 physics.optics
Experimental demonstration of spectrally-broadband Huygens sources using low-index spheres
操纵结构介电介质中共振电和磁多极矩的激发已经解锁了许多复杂的电磁功能。本文介绍了宽带惠更斯光源的实验实现。这个惠更斯源由一个球形粒子组成，该粒子在GHz频率下的一个倍频程以上的谱带上表现出明确的前向散射图案，其中整个后半球的散射被抑制。研究了两种不同的低折射率微球，它们的介电常数不同。这使得它们为前向散射图案提供不同的形状。这种宽带特性的理论理解是基于低介电常数球体中谐振电和磁多极矩在振幅和相位上的近似相等。这是近似电磁对偶对称性的关键条件，电磁对偶对称性与球对称性一起抑制后向散射。有了这样的配置，即使磁性材料不可用，宽带惠更斯源也可以设计。本文提供了使用低折射率球设计宽带惠更斯源的指导方针，这对大量的应用可能是有价值的。
2019-01-26 physics.class-ph physics.optics
Fabry-Pérot Huygens' Metasurfaces: On Homogenization of Electrically Thick Composites
实现惠更斯超颖表面（HMS）预测的异常折射效应需要繁琐和耗时的试错全波数值计算。本文所示，这些要求可以减轻横向磁（TM）传播的周期性介电基HMS组成的级联法布里-珀罗标准具的电厚阵列。这种“法布里-珀罗HMS”（FP-HMS）很容易设计成模拟标准零厚度HMS（ZT-HMS）的局部散射系数，根据均匀化理论，这应该导致所需的异常折射。为了探讨这种实用的FP-HMS的特点，基于Floquet-Bloch（FB）分析的方法推导出从它的散射场的任意入射角的预测。这种方法产生简单的封闭形式的解决方案的FB波的振幅和所产生的领域同意全波模拟。这些预测和全波模拟验证了均匀化和散射特性的零厚度HMS的厚结构的适用性。他们还验证了这种结构的半分析微观设计程序，提供了一个有效的替代路径，实现理论上设想的复杂的场操纵装置。
2019-07-29 physics.app-ph physics.optics
Huygens metasurface supporting quasi-bound states in the continuum for terahertz gas sensing
本研究提出一种基于全介质惠更斯超表面的太赫兹气体传感平台，利用准束缚态和Kerker条件增强灵敏度，在紧凑性上比自由空间传感缩短2-3个数量级路径长度。
2024-12-17 physics.app-ph physics.optics
Wide-Angle Invisible Dielectric Metasurface Driven by Transverse Kerker Scattering
干涉是惠更斯源设计的基石，用于重塑和控制散射图案。传统的支撑原理，例如对于Kerker效应，是电和磁偶极子和四极模的干涉。本文提出了一种仅利用电偶极子和磁四极子干涉实现横向Kerker散射的途径。该方法在超薄硅方纳米片超颖表面上进行了数值验证，并通过多极分解得到进一步验证。超颖表面被证明是不可见的fornear-infrared波长和增强的电场在该地区的纳米粒子。此外，我们进一步开发所提出的方法与实际实施的隐形应用，通过探索的影响的纵横比的方板纳米谐振器，粒子间的分离，和基板的存在。进一步证明了横向磁平面波在斜入射至60°时的不可见性。结果是相关的惠更斯超颖表面设计完美的反射器，不可见性和设备的谐波发生操作。
2021-01-13 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
Harnessing Selective State Space Models to Enhance Semianalytical Design of Fabrication-Ready Multilayered Huygens' Metasurfaces: Part I - Field-based Semianalytical Synthesis
Andrew and Erna Viterbi Faculty of Electrical and Computer Engineering, Technion（安德鲁和埃尔纳·维特比电气与计算机工程学院，以色列理工学院）；Faculty of Electrical and Computer Engineering, Tel-Aviv University（电气与计算机工程学院，特拉维夫大学）；Reykjavik University（雷克雅未克大学）
本文提出了一种基于选择性状态空间模型的半解析方法，用于快速设计可制造的双极化透射海利格超材料表面，结合机器学习提升精度。
2026-03-04 physics.app-ph physics.optics
Designing a broadband and linear polarization metasurface carpet cloak in the visible
在过去的几年里，地毯隐身由于其在光频上的可行性和在隐身技术上的潜力而引起了人们的兴趣。由于超表面能够在亚波长尺度上操纵波阵面、偏振和相位，因此已被提议作为一种设计超薄地毯遮盖表面的方法。然而，实现具有显著带宽的宽带地毯隐身是超表面设计的关键挑战之一。迄今为止，基于超表面的宽带地毯式隐身尚未实现，并且隐身仅限于离散波长。在这里，我们提出并数值演示了一种新的超颖表面设计的宽带地毯隐身与线偏振在可见光波长从650 nm到800 nm。我们提出的方法是一个很有前途的宽带结构化接口的方法。
2019-04-11 physics.optics
Broadband Polarizers Based on Graphene Metasurfaces
我们提出了太赫兹（THz）超颖表面的基础上对齐的矩形石墨烯贴片放置在介电层的顶部，以将传输的线性偏振波转换为圆或椭圆偏振辐射。我们的研究结果导致的设计一个100万宽带太赫兹四分之一波片。此外，基于L形石墨烯周期性贴片阵列的超颖表面被证明在反射和透射中实现宽带交叉偏振转换。所提出的超颖表面设计具有可调的响应，并设想成为几个集成的太赫兹系统的构建块。
2016-10-29 physics.optics
Tailoring dielectric resonator geometries for directional scattering and Huygens' metasurfaces
在本文中，我们描述了一种方法来定制的超材料介质谐振器的设计，这是一个有前途的路径，在光频率的低损耗超材料。我们首先描述了一个程序来分解的多极场分量的亚波长谐振腔散射的远场，多极远场提供明确的表达式。我们应用这个公式来确认，一个孤立的高介电常数立方体谐振器具有频率分离的电和磁偶极共振，以及磁四极共振在接近电偶极共振。然后，我们引入多个介电间隙的谐振器的几何形状的微扰理论所建议的方式，并证明重叠的电和磁偶极子共振的能力，从而使定向散射满足第一Kerker条件。我们进一步证明了推动四极共振远离简并偶极共振，以实现本地行为的能力。通过多极展开证实了这些性质，并表明使用微扰理论建议的几何形状是实现超材料应用（如惠更斯超表面的波前操纵）的纯偶极共振的可行途径。我们的结果是完全可扩展的任何频段，其中高介电常数介电材料可用，包括微波，太赫兹和红外频率。
2014-12-16 cond-mat.mes-hall physics.optics
Direct phase mapping of broadband Laguerre-Gaussian metasurfaces
我们报告的超颖表面相位板的制造由金纳米天线阵列，产生拉盖尔-高斯模式从圆偏振高斯输入光束。对应的螺旋相位分布与径向不连续性编码的超表面的纳米天线的取向。一个共同的路径干涉仪被用来确定所产生的光束的轨道角动量。此外，我们采用数字全息记录详细的相位轮廓的拉盖尔-高斯模式。不同的激光源的实验证明了超颖表面的宽带操作。
2018-07-17 physics.optics
Wire Resonator as a Broadband Huygens Superscatterer
干涉现象使得通过控制多个散射通道的相位来定制电磁波的传播。作为这种方法的代表性示例，惠更斯元件允许在抑制反射的同时增强来自向前方向上的对象的散射。然而，惠更斯元件的典型共振实现采用电偶极共振与磁偶极共振之间的相长干涉，这使其相对窄带。在这里，我们开发的宽带谐振惠更斯元件的概念，垂直排列的金属线的圆形阵列的基础上。精确管理电小结构中的多极干扰会导致大带宽上的定向散射，增加10%的载波频率。这种结构由非磁性材料构成，表现出强磁响应，出现在电对应物的主导磁多极中。此外，我们预测并观察到非常高阶的磁十六极（M16极）和磁三重偶极子（M32极）的品质因数，接近6000。在低GHz的频谱范围内进行的实验演示。我们的研究结果揭示了一种简单的方法，用于工程紧凑和开放的电磁设备（天线，定向反射器，折射器等）。能够调整宽带域中的波传播，集中强磁场，并产生高阶磁多极。
2020-06-24 physics.app-ph physics.optics
Large-area multiwavelength and polarization-insensitive metalenses via multilayer Huygens metasurfaces
针对近红外多波长、厘米级超透镜的群延迟难题，本文提出多层 Huygens 超表面与逆向形状优化设计，实现偏振不敏感、高效率、近衍射极限聚焦且可大面积制造组装。
2024-10-26 physics.app-ph physics.optics
Optical Brewster metasurfaces exhibiting ultra-broadband reflectionless absorption and extreme angular-asymmetry
自由空间与吸收材料之间的阻抗失配是实现高效光吸收的一个基本问题。在这项工作中，我们设计并数值模拟了一种非共振阻抗匹配光学超颖表面，表现出超宽带无反射吸收的基础上的反常布鲁斯特效应，这是捐赠的光学布鲁斯特超颖表面在这里。有趣的是，这种布鲁斯特超颖表面表现出一种独特的极端角度不对称性：当入射角的符号改变时，会出现完全透明和完全吸收之间的过渡。这一现象的产生源于传统布儒斯特效应与反常布儒斯特效应的共存。提出了基于有效介质描述的材料选择准则和诸如金属背反射器或折叠超颖表面的集成策略，以提高吸收性能。最后，一个梯度光学布鲁斯特超表面表现出超宽带和近全向无反射吸收。这种高效率的非对称光学超颖表面可以应用于光电和热器件，如光电探测器、热发射器和光电转换器。
2021-08-06 physics.optics
Broadband frequency conversion of ultrashort pulses using high-$Q$ metasurface cavities
使用高品质因数（$Q$ -factor）腔可以显著地增强光的频率转换。不幸的是，可实现的转换效率和转换带宽从根本上受到腔的时间带宽限制的限制，从而限制了它们在超短脉冲的频率转换中的使用。在这里，我们提出和数值演示和频生成的频率转换使用超表面为基础的腔体配置，可以克服这一限制。所提出的实验配置利用支持集体表面晶格共振（SLR）的周期性超颖表面的空间色散响应，并可用于超短脉冲的宽带频率转换。我们研究了等离子体超颖表面，支持高$Q$ SLR（$Q$ =500，线宽为2 nm）中心附近1000 nm，并证明非线性信号的~1000倍增强。此外，我们展示了宽带频率转换与泵浦转换带宽达到75 nm，一个值，大大超过了所研究的腔的线宽。我们的工作开辟了新的途径，利用高$Q$超颖表面也为宽带频率转换的光。
2021-10-26 physics.optics
Investigation of broadband terahertz generation from metasurface
非线性超材料已被证明提供具有高非线性转换效率的非线性特性，并且在无数的光操纵中。本文研究了由单层纳米开口环谐振器阵列构成的非线性超颖表面产生太赫兹波的特性。基于金属中电子动力学的流体动力学模型，研究了开口环谐振腔二阶非线性光整流产生太赫兹波的问题.结果表明，非线性超颖表面使我们能够产生宽带太赫兹辐射，并没有准相位匹配条件。该方案为宽带太赫兹光源和非线性等离子体超材料的设计提供了新的思路。
2018-06-03 physics.optics
Broadband and energy-concentrating terahertz coherent perfect absorber based on a self-complementary metasurface
本研究提出一种基于自互补棋盘状超表面的宽带聚能太赫兹相干完美吸收器，通过理论分析、数值模拟与太赫兹实验验证其在最低衍射频率下的工作特性，可在深亚波长尺度同时实现宽带运行与电磁波能量聚集。
2017-02-02 physics.optics
Inverse design of broadband, strongly-coupled plexcitonic nonlinear metasurfaces
耦合到原子薄半导体的等离子体超颖表面的混合光子结构已经成为强光-物质相互作用的通用平台，支持强耦合和参数非线性。然而，设计优化的非线性混合元表面是一项复杂的任务，因为多个参数对非线性响应的贡献是难以捉摸的。在这里，我们提出了一个简单而强大的策略，最大限度地提高非线性响应的混合结构的基础上进化逆设计的元表面的近场增强周围的激子频率。我们发现，强耦合大大增强了非线性信号，其幅度主要是由拉比分裂，使其强大的元表面的几何变化。此外，通过这些混合结构获得的大拉比分裂使得能够在混合模式的频率上进行宽带操作。我们的研究结果是实现灵活的非线性控制的重要一步，这将有利于非线性频率转换，全光开关和相位控制非线性超颖表面的应用。
2022-03-28 physics.optics
Metasurface Broadband Solar Absorber
我们展示了一种基于金属超颖表面架构的宽带、偏振无关、全方位吸收器，它在太阳光谱的可见光和近红外范围内实现了超过90%的吸收率，并在中红外和远红外波长处表现出低发射率。超颖表面太阳能吸收器的复杂单元电池由八对金纳米谐振器组成，这些谐振器通过薄的二氧化硅间隔物与金接地层分开。我们的实验测量揭示了高性能的吸收在很宽的入射角范围内的s-和p-偏振。我们还研究了数值的频率依赖的场和电流分布，以阐明如何发生的吸收内的超颖表面结构。此外，我们讨论了我们的超颖表面吸收器设计的潜在用途，利用耐高温等离子体材料在太阳能热光子学。
2015-09-22 physics.optics
Compact broadband thermal absorbers based on plasmonic fractal metasurfaces
提出一种利用强烈局域电磁模式的紧凑型等离激元分形超表面，在6至14微米波长范围内实现高效宽带热辐射吸收，为下一代红外传感器和测辐射热计提供了新途径。
2025-06-26 physics.optics
Janus and Huygens' dipolar sources for near-field directionality
控制发射、散射和波导的方向性是量子光学技术、集成光子学和新超颖表面设计以及无线电和微波工程中的重要要求。最近，已经开发了几种方法来实现依赖于惠更斯偶极源的远场中的单向散射，以及基于涉及圆极化电或磁偶极的自旋霍尔效应的波导光学器件中的单向散射，所有这些都可以用等离子体或介电纳米颗粒来实现。在这里，我们表明，存在一个偶极源互补惠更斯偶极子，称为Janus偶极子，这是不是在远场方向，但其耦合到波导模式的拓扑保护，使它被允许在一侧的偶极子，但不是在相反的一侧。惠更斯偶极子的近场方向性也被揭示，并介绍了一个广义的Kerker的远场和近场方向性的条件。圆形电偶极和磁偶极，与惠更斯和Janus偶极源一起，形成了一套完整的远场和近场定向偶极源，为有前途的应用铺平了道路。
2017-08-14 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
Time-varying Huygens' meta-devices for parametric waves
惠更斯的超颖表面已经证明了对散射光束形状的几乎任意控制，然而，其空间轮廓通常在制造时是固定的。由于需要在整个调谐范围内保持惠更斯条件，因此利用可调谐元件动态重新配置该光束轮廓仍然具有挑战性。在这项工作中，我们通过实验证明，一个随时间变化的元器件，执行频率转换可以引导传输或反射光束在几乎任意的方式，完全动态控制。我们的时变惠更斯元器件由电和磁元原子组成，具有独立控制的调制，这种调制的相位印在散射的参数波上，控制它们的形状和方向。我们开发了一个理论，它表明如何散射的方向性，相位和边带的转换效率几乎可以任意操纵。我们展示了新颖的效果，包括全角度波束转向和频率复用功能，在微波频率约4 GHz，使用变容二极管作为可调谐元件。我们相信，这个概念可以扩展到其他频段，使超表面具有任意相位图案，可以在整个2π范围内动态调谐。
2018-12-02 physics.app-ph physics.optics
Dispersion Study of a Broadband Terahertz Focusing Reflecting Metasurface for 6G Wireless Communication
本文设计并分析一种D波段宽带保偏太赫兹聚焦反射超表面，实现高效率、低时间色散与轻微脉冲展宽，可支撑6G高速通信。
2023-06-02 physics.optics
Omnidirectional and broadband absorption enhancement from trapezoidal Mie resonators in semiconductor metasurfaces
由于薄膜板中可用的光学模式数量很少，平面超薄膜太阳能电池中的光捕获受到限制。纳米结构薄膜设计可以通过在亚波长体积中提供局部态密度的宽带增加并保持光的有效耦合来超过该限制。在这里，我们报告了一个宽带超颖表面设计，使有效的和宽带的吸收增强通过直接耦合的入射光的谐振模式的亚波长级米氏纳米谐振器中定义的薄膜有源层。吸收的理论和实验研究在原型组成的光刻图案，二维周期性阵列的硅纳米谐振器在二氧化硅基板上。矩形截面的交叉梯形谐振器形状用于激发跨越可见光谱和近红外光谱的宽带米氏谐振。我们的数值模拟，光学吸收测量和光电流光谱响应测量表明，交叉梯形米氏谐振结构，使角度不敏感，宽带吸收。在210 nm厚的图案化Si膜中实现了12.0 mA/cm 2的短路电流密度，与相同厚度的平面膜相比增加了4倍。有人建议，与米氏谐振器阵列的硅超颖表面可以提供有用的见解，以指导未来的超薄薄膜太阳能电池的设计，将纳米结构的薄有源层。
2015-12-15 physics.optics
Broadband polarization-independent low-crosstalk metasurface lens array-based mid wave infrared focal plane arrays
像素的小型化是实现高分辨率、平面化、小型化的焦平面阵列的关键，然而，像素间光学串扰的增加导致了严重的缺陷和折衷。在当前的工作中，我们设计并提出了一种有效的宽带偏振不敏感的全介质超颖表面透镜阵列的焦平面阵列（FPA）工作在中波红外（MWIR）。实现了超过0.85的高聚焦效率和优异的光学串扰性能。我们证明，光学串扰可以降低到2.8%以下的低水平，具有高效率。对于器件性能，使用了以前报告中的类似品质因数（FoM），我们的器件达到了91的FoM，优于迄今为止设计的所有其他类型的MWIR FPA。所提出的超表面透镜阵列展示了用于增加信噪比和灵敏度的巨大潜力，从而为紧凑尺寸、高分辨率FPA铺平了道路。
2018-03-15 physics.optics
Broadband Cross-Circular Polarization Carpet Cloaking based on a Phase Change Material Metasurface in the Mid-infrared Region
针对目前大多数隐身装置都集中于线偏振隐身，而对中红外隐身特性研究较少的现状，提出了一种中红外波段交叉圆偏振隐身地毯隐身装置。基于Pancharatnam Berry相位原理，精心设计了具有交叉圆极化梯度相位的单胞，并将其构造成一个超表面。为了实现可调谐交叉圆偏振地毯斗篷，在单元结构的设计中引入了相变材料。当相变材料处于非晶态和晶态时，所提出的超颖表面单元可以实现高效的交叉偏振转换，并且反射强度可以调节。根据地毯隐身的相位补偿原理，利用所设计的单元结构，构建了一种具有相位梯度的超表面隐身装置。从近场和远场的分布，交叉圆偏振隐身特性被证实在宽带波长范围内。提出的隐身装置可以有效地抵抗交叉圆偏振探测。
2022-03-04 physics.optics
Complete amplitude and phase control of light using broadband holographic metasurface
利用光的振幅和相位信息重建光的轮廓，称为全息术，是一种有吸引力的显示三维图像的光学技术。由于理想全息图的基本要求，振幅和相位的亚波长控制是至关重要的。然而，传统的全息装置受到其在可见光的振幅和相位两者中的不完全调制的有限能力的影响。在这里，我们提出了一种新的超颖表面，能够完全控制的幅度和相位分布的可见光独立的亚波长空间分辨率。基于潘查拉特南-贝瑞相的扩展概念，使用X形亚原子实现了幅度和相位的同时、连续和宽带控制。首次实现了具有亚波长分辨率的完整复振幅全息图的实验演示，并与传统的纯相位全息图相比，显示出显著的信噪比。我们的超颖表面具有多方面的优势，具有非凡的控制能力，为理想的全息术铺平了道路，这有望成为光学全息术和超颖表面领域的重大进步。
2017-06-29 physics.optics
