Fundamental limitations of Huygens metasurfaces for optical beam shaping
由阵列纳米结构组成的光学介电超颖表面有望实现对入射波前的任意空间控制，具有亚波长空间分辨率。对于相位调制，通常采用两种物理效应来实现2π相位偏移。第一种效应依赖于高纳米级柱的引导，第二种效应利用具有两个简并米氏共振的纳米共振器的共振限制。第一种方法需要高的纵横比，而第二种方法，称为惠更斯超颖表面，要平坦得多，因此更容易制造。我们比较了这两种方法，更侧重于概念，而不是技术问题，并确定与后者的基本限制。我们解释了起源的限制的基础上一般的参数，如互易性，多模/单模操作和对称性破缺。
2021-04-03 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
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
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
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
Light-controlled multi-phase structuring of perovskite crystal enabled by thermoplasmonic metasurface
卤化物钙钛矿属于半导体材料的重要家族，具有独特的电子特性，能够实现无数的应用，特别是在光电子学和光电子学中。它们的光学性质，包括光致发光量子产率，受到影响，并显着增强在晶体缺陷的对称性被打破，态密度增加。这些晶格畸变可以通过结构相变引入，允许电荷梯度出现在相结构之间的界面附近。在这项工作中，我们展示了在单个钙钛矿晶体中的受控多相结构。该概念使用铯铅溴（CsPbBr 3）放置在热等离子体TiN/Si超颖表面上，并使单相，两相和三相结构能够在室温以上按需形成。这种方法开辟了具有独特的电子和增强的光学特性的动态控制异质结构的应用前景。
2023-01-12 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
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
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
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
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
Corrugated silicon metasurface optimized within the Rayleigh hypothesis for anomalous refraction at large angles
我们通过调整表面轮廓的傅立叶系数来优化基于周期性波纹硅层的超颖表面的光学性能。对于光滑的波纹，我们证明了一个很好的定量准确性的半解析方法的基础上瑞利假设。我们采用这种方法来设计由于占主导地位的一阶衍射异常折射的超颖表面。与传统惠更斯的电介质超颖表面不同，波纹硅层能够在掠射方向上有效地异常折射：我们获得了允许将垂直入射绿光的能量的70-80%偏转到相对于法线的68°-85°角度范围内的波纹形状。
2019-04-30 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
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
Gigahertz modulation of a fully dielectric nonlocal metasurface
针对非局域超表面难以快速高效调谐的问题，本文提出利用片上压电换能器激发机械波并通过光机械耦合实现全介质非局域超表面的吉赫兹调制，且超表面无导电材料、无光损耗。
2023-08-30 physics.optics
Harnessing Selective State Space Models to Enhance Semianalytical Design of Fabrication-Ready Multilayered Huygens' Metasurfaces: Part II - Generative Inverse Design (MetaMamba)
Tel Aviv University（特拉维夫大学）；Technion – Israel Institute of Technology（以色列理工学院）
本文提出利用选择性状态空间模型增强多层Huygens超材料的半解析设计，通过生成反向设计方法实现高效单元合成。
2026-03-04 physics.app-ph physics.optics
Tunable edge and depth sensing via phase-change nonlocal metasurfaces
School of Information Engineering, Nanchang University（南昌大学信息工程学院）；Institute for Advanced Study, Nanchang University（南昌大学高等研究院）；Jiluan Academy, Nanchang University（南昌大学纪鸾学院）
针对单光学元件同时实现景深扩展与边缘增强的难题，提出集成Sb₂S₃的波长可调非局域惠更斯超构表面，单次曝光可同时提取深度与边缘特征，共振波长可调范围达100 nm，为相关成像应用提供紧凑新方案。
2025-08-11 physics.app-ph physics.optics
Transparent Hybrid Anapole metasurfaces with negligible electromagnetic coupling for phase engineering
全介电纳米光子学已经成为现代光学中最活跃的研究领域之一，这主要是由于在纳米尺度上同时共振控制光的电和磁分量所提供的机会。在这种快速发展的情况下，通过重叠电和磁共振来设计人造惠更斯源的可能性已经在平面光学中建立了一个新的范例，使设备更接近于在单个元原子水平上直接相位工程的有效波前整形。然而，它们的效率从根本上受到金属晶格的组分之间的近场耦合的限制。在这项工作中，我们挑战这个构思良好的概念，并提出了一个替代的概念，以实现相位控制和全传输的超表面，基于不寻常的属性的非辐射源称为混合Anapoles（HAs）。我们从理论上分析了一系列此类源，并证明HA的特征是与其邻居的耦合可以忽略不计。因此，与惠更斯粒子相比，所提出的源即使在高度紧凑的设计中也可以作为单独的元原子操作，当沉积在电介质衬底上时，对强无序变得鲁棒并保持其特性。值得注意的是，透射波的相位可以被调制，反射可以忽略不计。为了说明我们的平台的能力，我们还利用无序HA阵列来实现对超快高斯脉冲的受控相位调制。我们的研究结果代表了从目前建立的设计出发，并开辟了一条途径，实现新的设备，平面光学前所未有的效率。
2021-07-26 physics.optics
Extreme nonreciprocity in metasurfaces based on bound states in the continuum
本研究利用支持连续谱中束缚态的磁性铁氧体超表面，在法拉第构型下实现极端非互易性和近统一磁圆二色性，将磁光效应增强3-4个数量级，并通过多模时间耦合模式理论与全波模拟验证。
2023-06-19 physics.optics
Gradient metasurfaces: a review of fundamentals and applications
随着对超材料的深入研究，二维模拟物（称为超表面）近年来吸引了越来越多的关注，因为它易于制造和插入损耗较小，同时能够对透射和反射光场的空间分布进行前所未有的控制。超表面表示谐振亚波长元件的光学薄平面阵列，其可以以严格或准周期性方式或甚至以非周期性方式布置，这取决于要在它们的帮助下模制的目标光学波前。本文综述了超颖表面的一个广泛的子类，即梯度超颖表面，这是设计来表现出空间变化的光学响应，导致空间变化的振幅，相位和偏振的散射场。从介绍梯度元表面的概念入手，从响应的角度对不同的元表面进行了分类，区分了电偶极元表面、几何元表面、反射元表面和惠更斯元表面。然后讨论实现超颖表面所必需的基本构建块，以阐明等离子体和纯电介质超颖表面的各种物理实现的基本物理。然后，我们概述了梯度超颖表面的主要应用，包括波片，平面透镜，螺旋相位板，宽带吸收，彩色印刷，全息图，偏振计和表面波耦合器。评论结束了一个简短的一节最近开发的非线性元表面，然后展望未来可能的发展和前景，为未来的应用提出我们的看法。
2017-08-21 physics.optics
Ultra-thin, High-efficiency Mid-Infrared Transmissive Huygens Meta-Optics
中红外（mid-IR）是从夜视到生化传感等众多应用的战略重要波段。与常见且经济可用的现成可见光或近红外光学部件不同，中红外光学器件通常需要特殊材料或复杂的加工，这导致其与可见光或近红外光学器件相比成本高且质量差。在这里，我们从理论上分析和实验上实现了惠更斯metasurface平台能够实现不同的横截面的光学功能在中红外。元光学元件构造使用高折射率的硫属化物薄膜沉积在氟化物基板上：宽带透明材料的选择允许设计在宽红外光谱范围内进行缩放。利用新颖的双组分惠更斯元原子设计，元光学器件具有超薄外形（厚度为$λ_0/8$，其中$λ_0$是自由空间波长），并且在透射模式下测量的光学效率高达75%，这两者都代表了对现有技术的重大改进。我们还首次证明，具有衍射限制聚焦和成像性能的中红外透射超透镜。预计的尺寸，重量和功率优势，加上利用标准微制造技术的制造可扩展性，使惠更斯元光学器件有望用于下一代中红外系统应用。
2017-07-03 physics.optics
Invisibility and perfect absorption of all-dielectric metasurfaces originated from the transverse Kerker effect
介电超颖表面具有独特的光子学效应，是当今轻物质技术的引擎。在这里，我们建议在理论上和实验上证明了一种新型的全介电超颖表面，其中每个构成的晶格元原子呈现出所谓的横向Kerker效应的高透明度的效果的实现。与惠更斯的超颖表面相反，入射波的相位和振幅在共振频率下保持不变，因此，我们的超颖表面完全在不可见状态下工作。我们实验证明，对于微波频率范围，从超颖表面的传输波的相位和振幅几乎不受影响。最后，我们演示了数值和实验，并在理论上详细解释了一种新的机制，以实现完美的吸收入射光的介电超颖表面放置在导电基板附近的谐振响应。在亚衍射极限，我们表明，上述效果主要是由组成元原子的光学响应，而不是集体晶格的贡献。随着频谱的可扩展性，我们的研究结果可以被纳入工程设备的能量收集，非线性现象和过滤器的应用。
2019-05-25 physics.optics
Near-IR wide field-of-view Huygens metalens for outdoor imaging applications
实现紧凑且廉价的光学系统的持续努力是光学超透镜领域最近蓬勃发展的研究的主要驱动力。超透镜是一种超表面，用于聚焦和成像应用，并且基于光学表面的纳米图案化来实现。超透镜研究面临的挑战是使用适合大规模生产的简单制造方法达到高水平的性能。在本文中，我们提出了一种基于惠更斯纳米天线的超透镜，专为户外摄影/监视应用在近红外。我们表明，良好的成像质量，可以在视场（FOV）大到+/-15度。这是首次成功实现户外成像应用的超透镜，预计将为未来的超透镜成像应用提供见解和灵感。
2019-01-22 physics.app-ph physics.optics
A Comprehensive Multipolar Theory for Periodic Metasurfaces
光学超颖表面由散射体的2D排列组成，并且它们根据需要控制入射场的振幅、相位和偏振。光学超颖表面是下一代平面光学器件在广泛应用中的基石。纳米纤维的快速发展使得对这些超薄表面的多功能设计和分析变得越来越必要。然而，尽管它们的重要性，一个全面的理论来描述的光学响应的周期性超颖表面的封闭形式和解析表达式尚未制定，和以前的尝试往往是近似的。在这里，我们开发了一个理论，分析链接的散射体的属性，从周期性的超颖表面，其光学响应通过晶格耦合矩阵。散射体由它们的极化率或T矩阵表示，并且我们的理论适用于正入射和斜入射。我们提供了明确的表达式的光学响应八极为了在球坐标和笛卡尔坐标。几个例子表明，我们的分析工具构成了设计和理解光学元表面的范式转变。提出了新的完全衍射的超聚集体和粒子无关的偏振滤波器，并提供了新的见解斜入射下的惠更斯超表面的响应。我们的解析表达式是一个强大的工具，探索超颖表面的物理和设计新颖的平面光学器件。
2021-09-16 physics.optics
Designing Collective Non-local Responses of Metasurfaces
我们提出了一个数值上有效的“伴随”逆设计方法来优化偶极子散射体的平面结构，操纵电偶极子发射器的辐射。列举了几个例子：近场的修改以提供功率发射的3倍增强;重构远场辐射图案以呈现所选择的方向性;以及离散的“Luneburg透镜”的设计。此外，我们开发了一个明确的物理解释的优化结构，通过提取“本征极化率”的系统。我们发现，大的“本征极化率”对应于一个大的集体响应的散射。该框架可以在波前整形以及非局部元表面的设计和表征中找到实用性。
2020-11-26 physics.optics
Arbitrary power-conserving field transformations with passive lossless omega-type bianisotropic metasurfaces
我们提出了一个通用的理论，用于设计现实的欧米茄型双各向异性超颖表面（O-BMS），解锁其全部潜力的电磁场成型。这些超颖表面，其特征在于电表面阻抗，磁表面导纳，和磁电耦合系数，以前被认为是波前操纵。然而，以前的报告主要考虑平面波激励，实现包括繁琐的金属功能。在这项工作中，我们证明了任何场变换，局部保存实功率可以实现通过被动和无损的元原子特征在于封闭形式的表达式，这允许严格纳入任意源和散射配置。随后，我们表明，O-BMS元原子可以使用三个阻抗片的非对称堆叠来实现，这是一种用于印刷电路板制造的吸引人的结构。我们的公式表明，相对于惠更斯的超颖表面（HMS），表现出可忽略的磁电耦合，O-BMS不限于控制传输场的相位，而是可以实现高水平的控制反射场的振幅和相位。这是通过设计O-BMS无反射广角折射，独立的表面波引导，和一个高方向性的低剖面天线，验证了全波模拟。这种简单的方法有利于发展的O-BMS为基础的设备，用于控制近场和远场的任意源在复杂的散射配置。
2016-07-06 physics.optics
A review of metasurfaces: physics and applications
超材料是由周期性的亚波长金属/介电结构组成的，其谐振耦合到入射电磁场的电和/或磁分量，表现出自然界中没有的特性。具有亚波长厚度的平面超材料或超表面，由单层或几层平面结构堆叠组成，可以使用光刻和纳米印刷方法容易地制造，并且在波传播方向上的厚度可以极大地抑制不期望的损耗。超表面能够实现空间变化的光学响应，将光学波阵面塑造成可以随意设计的形状，并促进功能材料的集成以实现主动控制和大大增强的非线性响应。本文综述了从微波到可见光波段超颖表面物理的最新进展。我们提供了一个关键的超颖表面的概念，如异常反射和折射的概述，并介绍基于Pancharatnam-Berry相位和惠更斯的超颖表面，以及它们在波前整形和波束形成应用中的使用，其次是几层超颖表面及其相关属性的偏振转换的讨论。介电超颖表面的概述揭示了它们实现与米氏共振和它们的低欧姆损耗耦合的独特功能的能力。我们还描述了超颖表面的波的指导和辐射控制，以及主动和非线性超颖表面。最后，我们总结了我们的意见，在这个快速发展的研究领域的机遇和挑战。
2016-05-24 physics.optics
Terahertz pulse generation with binary phase control in non-linear InAs metasurface
太赫兹（THz）脉冲产生的效应已经彻底改变了太赫兹频率下的宽带相干光谱和成像。然而，THz脉冲通常缺乏空间结构，而结构化光束对于高级光谱应用变得至关重要。具有纳米级THz发射器的非线性光学超颖表面可以通过在产生阶段定义光束结构来提供解决方案。我们开发了一个非线性的InAs超颖表面组成的纳米光学谐振器的同时产生和太赫兹光束的结构。我们发现，太赫兹脉冲产生的谐振器是由光学整流。它比ZnTe晶体更有效，并且它允许我们控制脉冲极性和幅度，为实现二相THz超颖表面提供了平台。为了说明这种能力，我们展示了InAs超透镜，它同时产生和聚焦太赫兹脉冲。使用纳米级发射器控制时空结构为太赫兹光束工程和先进的光谱学和成像应用打开了大门。
2022-11-07 physics.optics
Transverse scattering and generalized Kerker effects in all-dielectric Mie-resonant meta-optics
全介电共振纳米光子学是现代光学和纳米技术的核心，因为它具有独特的可能性来控制来自高折射率介电纳米颗粒和超颖表面的光的光的散射。介电米氏共振纳米光子学的一个重要概念与Kerker效应相关，Kerker效应驱动来自纳米天线和惠更斯超颖表面的光的单向光的散射。在这里，我们建议和实验证明一种新的效果表现在几乎完全同时抑制前向和后向散射场。这种效应由电偶极子和非共振四极子之间的Fano干涉控制，提供散射场的必要相位和振幅以实现横向散射。我们将这一概念扩展到介电超颖表面，其表现出零反射与横向散射和强场增强，用于共振光滤波、非线性效应和传感。
2019-05-21 physics.optics
Robust Q-tunable topological induced transparency in metasurface
在这项研究中，我们首先展示了，据我们所知，强大的和动态偏振控制的可调高Q PIT在设计的纳米结构超颖表面，其尖锐的谐振是由设计保证，并防止大的几何缺陷。基于动量匹配的倒易空间近场特性的显式分析和惠更斯原理激发的实空间点散射远场辐射特性的显式分析，从理论上深入研究了超颖表面平面波透射和反射光谱中的干涉共振物理。实验结果验证了理论预测。这种独特的偏振选择性和Q可调的PIT显示出对传统PIT系统中由无意的制造缺陷或几何不对称变化引起的性能下降的鲁棒特性，这为可重构和灵活的超颖表面的发展铺平了道路，此外，在鲁棒和多功能的纳米光子器件设计和应用中开辟了新的途径。
2020-07-02 physics.app-ph physics.optics
