Synthesis of passive lossless metasurfaces using auxiliary fields for reflectionless beam splitting and perfect reflection
我们介绍了一个范例，精确设计的元表面复杂的光束操纵，实现功能以前被认为是不可能实现的无源无损元件。关键概念涉及辅助倏逝场的自生成，其促进所需的局部功率节约，而不干扰远场中的器件性能。我们展示了我们的计划，提出精确的无反射分束和完美反射的挑战性问题的反应解决方案，通过全波模拟验证。
2016-07-19 physics.optics
Optical Synthesis of Transient Chirality in Achiral Plasmonic Metasurfaces
本文提出利用热载流子非均匀时空分布重构光学几何，在非手性等离子体超表面中实现可见光波段近乎完美可逆的超快瞬态手性。
2023-06-05 physics.optics
High-index dielectric metasurfaces performing mathematical operations
图像处理和边缘检测是几种新兴技术的核心，例如增强现实，自动驾驶和更普遍的对象识别。图像处理通常使用集成电子电路和算法以数字方式执行，这意味着基本的尺寸和速度限制以及显著的功率需求。另一方面，它也可以使用傅立叶光学器件以低功率模拟方式执行，但需要庞大的光学组件。在这里，我们介绍了介电超颖表面，在模拟域中使用的亚波长的几何形状，可以很容易地与检测器集成的光学图像边缘检测。超表面由设计用于执行1阶或2阶空间微分的适当工程化的纳米梁阵列组成。我们通过实验证明了输入图像上的二阶导数操作，显示了使用在高达0.35的数值孔径下工作的硅超颖表面几何结构的全光学边缘检测的潜力。
2019-03-20 physics.optics
Accurate metasurface synthesis incorporating near-field coupling effects
用于微波和太赫兹频率范围的最有前途的超颖表面架构之一由三个图案化的金属层组成，所述金属层由纳米线隔开。这种超颖表面非常适合于平面制造技术，并且通过将它们建模为由传输线分离的阻抗片来促进它们的合成。我们表明，这种模型在某些情况下可能是显着不准确的，由于金属层之间的近场耦合。这个问题对于较高频率的设计尤其严重，其中制造公差防止图案在尺寸上高度亚波长。由于近场耦合很难解析描述，因此在设计中对其进行校正通常需要数值优化。我们提出了一个扩展的广泛使用的等效电路模型，将近场耦合，并表明扩展模型可以准确地预测超颖表面的散射参数。基于我们的扩展模型，我们引入了一种改进的元表面合成算法，该算法提供了对问题的物理见解，并有效地补偿了近场耦合引起的扰动。使用所提出的算法，惠更斯超颖表面的光束折射的合成显示性能接近理论效率极限，尽管存在强近场耦合。
2019-05-15 physics.app-ph physics.optics
Bandwidth Limit and Synthesis Approach for Single Resonance Ultrathin Metasurfaces
超颖表面已经成为一种用于在薄层内操纵电磁波的有前途的技术。在平面超颖表面中，存在严格的窄带设计方法，其基于电介质衬底上的图案化金属层的等效表面阻抗。在这项工作中，我们得到了在这些元表面上可实现的带宽的限制，基于约束，他们的元原子应该是被动的，因果的和无损的，并且他们应该遵守一个单一的共振结构的时间带宽产品的规则。结果表明，除了涉及表面阻抗的变化的基本设计参数，带宽是由介质基板的厚度和介电常数的严格限制。然后，我们提出了一种合成方法的宽带超颖表面，所需的表面阻抗的LC谐振配合的基础上，并在毫米波频率的宽带色散结构的实验验证。相对于使用窄带设计过程创建的参考超颖表面，这导致超过90%的带宽增强。
2020-07-03 physics.app-ph physics.optics
Synthesis of Modulated Dielectric Metasurfaces for Precise Antenna Beamforming
本文提出了一种端到端的设计方法，用于合成具有调制厚度的介电超颖表面，该介电超颖表面能够在远场以高精度实现期望的辐射图案。该方法依赖于积分方程和矩量法来计算在给定的入射照明下整个超颖表面的感应表面和体积电流密度。通过避免介质层的均匀化和直接计算的散射场通过矩量法，近场和远场响应的超表面可以准确地预测和优化。特别是，一个调制介质超颖表面的设计实例，由一个单一的嵌入式线源馈电，实现了一个Chebyshev阵列方向图与-20 dB的旁瓣电平。此外，设计、3-D打印和测量了执行垂直入射平面波的分束的外部馈电电介质超颖表面，其示出了在± 30度处的两个反射光束、对镜面反射的高抑制（> 14 dB）以及与模拟的和期望的辐射图案的令人满意的一致性。所提出的用于利用电介质超颖表面进行波束成形的设计方法可以在较高频率中找到应用，在较高频率中，由于较高的欧姆损耗和制造挑战，铜的使用可能是有问题的。
2022-11-25 physics.app-ph physics.optics
A Discrete Fourier Transform-Based Framework for Analysis and Synthesis of Cylindrical Omega-bianisotropic Metasurfaces
本文提出了一个框架，用于分析和设计圆柱欧米茄双各向异性超颖表面，模式匹配和数字信号处理技术的启发。使用离散傅立叶变换，我们分解的电磁场分布到正交的圆柱模式和转换的方位角变化的超颖表面组成参数到它们各自的频谱。然后，通过调用适当的边界条件，我们建立系统的代数方程组，可以重新排列，以预测预先指定的元表面的散射场，或合成元表面支持任意规定的场变换。所提出的框架有利于有效地评估满足局部功率守恒的场分布，这是被动和无损标量元表面设计的关键难点之一。它代表了一个有前途的解决方案，以规避在许多国家的最先进的共形超表面为基础的设备的有源组件，受控的功耗，或张量表面极化率的需要。为了证明所提出的技术的鲁棒性和多功能性，我们设计了几个设备用于不同的应用程序，并使用有限元模拟进行数值验证。
2020-11-19 physics.class-ph physics.optics
Metasurfaces for perfect and full control of refraction and reflection
在这次演讲中，我们提出并讨论了一种新的通用方法来合成的元表面的透射和反射场的完全控制。该方法是基于使用的等效阻抗矩阵连接的切向场分量在两侧的元表面上。找到阻抗矩阵组件，我们能够合成的元表面，完美地实现所需的响应。我们将解释可能的替代物理实现，并揭示双各向异性耦合的关键作用，以实现通过完全匹配的超颖表面传输的完全控制。这篇摘要总结了我们在超颖表面上的结果，以实现任意方向的完美折射。
2016-03-23 physics.optics
Field Synthesis with Azimuthally-Varying, Cascaded, Cylindrical Metasurfaces using a Wave Matrix Approach
针对圆柱共形超表面研究少、几何复杂的问题，提出采用波矩阵方法建模级联方位变化圆柱超表面的高阶耦合，可高效合成场变换所需非均匀导纳，在天线与隐身领域有应用潜力。
2022-11-02 physics.app-ph physics.optics
Approach to the Analysis and Synthesis of Cylindrical Metasurfaces with Non-circular Cross Sections Based on Conformal Transformations
提出了基于保角变换的非圆截面圆柱形电磁元表面的分析和设计方法。处理具有非正则几何形状的表面可能是困难的，因为它们通常不允许受到适当边界条件的亥姆霍兹波动方程的直接解。这导致了对全波数值技术的依赖，该技术仅适用于这些表面的分析，而不是合成。我们解决这个问题，采用保角变换映射到一个计算空间中的表面重合的圆柱体的物理空间。表面上的电磁边界条件保持不变的变换下，由于其角度保持性质。然而，它们更容易执行。其结果是，散射场的分析模式的解决方案是很容易获得的，这有利于封闭形式的分析和一般非圆柱形超颖表面的合成方程。所提出的框架启用的一个重要的实用程序是有效地识别满足局部功率守恒的电磁场分布。这导致无源和无损表面设计，这在实践中是非常期望的，因为它们不需要有源和/或有损部件。
2020-12-04 physics.app-ph physics.optics
Manipulating light at distance by a metasurface using momentum transformation
介绍了一种动量守恒的方法来操纵光的距离使用超曲面。给定超颖表面一侧的特定场和另一侧的特定期望场，建立了一般的动量边界条件，确定了超颖表面引起的振幅、相位和极化变化。这种方法，称为动量变换，使一个系统的方法来合成超表面的反射和透射场的完全控制。几个合成说明性的例子：一个涡旋超几何高斯光束和“延迟开始”加速光束的菲涅耳区域操作，和笔形光束辐射器和全息转发器的弗劳恩霍夫区域操作。
2014-11-08 physics.optics
Jones matrix holography with metasurfaces
我们提出了一类新的计算机生成全息图，其远场具有设计者指定的偏振响应。我们把这些琼斯矩阵全息图。我们提供了一个简单的程序，他们的实施使用形式双折射元表面。琼斯矩阵全息术用一个一致的数学框架概括了过去的大量工作，特别是在元表面领域，并提出了以前未实现的设备，其中的例子在这里演示。特别是，我们展示了全息图，其远场实现平行偏振分析和自定义波片样的行为。
2020-12-29 physics.optics
Polarimetric Control of Reflective Metasurfaces
这封信地址的反射细胞接近一个给定的所需的Floquet散射矩阵的合成。这项工作的动机是需要获得更精细的控制反射超颖表面，不仅控制他们的共偏振反射，但也他们的交叉耦合行为。所展示的能力将实现更强大的设计方法-涉及相位和幅度的所有场分量-从而在涉及反射超表面的应用中实现更好的性能。我们首先暴露一些基本的理论约束的细胞散射参数。然后，一个成功的程序，控制所有四个散射参数，通过应用的矩形和梯形变换的正方形补丁，考虑正常和倾斜入射。
2012-10-17 physics.optics
Radiation Pattern Synthesis with Uniform Nonlocal Metasurfaces
本文提出利用无空间调制的均匀非局域超表面，通过定制其表面阻抗随切向波矢的变化来实现辐射方向图综合，解析求解二维综合问题并以蘑菇型高阻抗表面全波仿真验证三种方向图，拓展了空间色散超表面在天线领域的应用。
2024-11-25 physics.app-ph 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
Polarization Multi-Image Synthesis with Birefringent Metasurfaces
Department of Applied Physics, Harvard University（哈佛大学应用物理系）；Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering, Purdue University（普渡大学埃尔莫尔家族电气与计算机工程学院）；Department of Electrical and Computer Engineering, Harvard University（哈佛大学电气与计算机工程系）
本文提出利用双折射超表面与偏振马赛克传感器在单次曝光中捕获四通道编码测量，实现可调的非相干光电滤波，并通过带新型正则化器的梯度下降优化超表面设计，支持随深度和波长变化的空间滤波器。
2025-07-06 cs.CV physics.optics
Generation of Vortex Beams with Strong Longitudinally Polarized Magnetic Field by Using a Metasurface
提出了一种产生和合成方位E偏振涡旋光束的新方法。沿着传播轴，这种光束具有强的纵向极化磁场，而理想情况下没有电场。我们展示了如何通过拉盖尔-高斯光束进行轨道角动量的干涉来构造这些光束。作为一个例子，我们提出了一个元表面的双分裂环槽对，并报告模拟和分析结果之间的良好协议。实现了高的磁场-电场对比度和磁场增强。我们还研究了将线偏振光束转换为方位E偏振光束的超颖表面物理约束，并表征了真实超颖表面的磁场增强和电场抑制性能。这些研究结果是潜在的有用的新的光学光谱相关的磁偶极跃迁和光学操纵的粒子与自旋和轨道角动量。
2014-09-11 physics.optics
Implementation of radiating aperture field distribution using tensorial metasurfaces
本文讨论了张量调制元表面的设计，能够实现一般的辐射孔径场分布。提出了一种基于局域全息和可变阻抗调制的孔径综合方法。特别是，它示出，张量元表面可以用于生成一般的辐射分布（相位和振幅）。此外，还提出了一种分步算法.为了验证该方法，在20 GHz下提出了几种解决方案，这些解决方案实现了能够辐射具有一般极化的不同波束的孔径分布。
2017-03-06 physics.class-ph physics.optics
A Generative Machine Learning-Based Approach for Inverse Design of Multilayer Metasurfaces
表现出特定的一组期望的散射特性的超颖表面的合成是耗时且需要资源的过程，其常规上依赖于全波模拟的许多循环。这需要有经验的设计者来选择金属层的数量、散射体的形状和尺寸以及分离衬底的类型和厚度。在这里，我们提出了一种基于生成式机器学习（ML）的方法来解决这种一对多映射，并自动化双层和三层元表面的逆向设计。使用这种方法，它是可能的，以解决多目标优化问题，通过合成薄的结构组成的潜在的全新的散射体设计，在层之间的层间耦合是不可忽略的情况下，通过传统的方法合成变得繁琐。给出了各种示例，以提供跨频率范围的$x$和$y$偏振散射系数的特定幅度和相位响应以及针对不同超表面应用的基于掩模的响应，以验证所提出的方法的实用性。
2020-07-28 eess.SP physics.app-ph 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
Metasurface Holography on a Relative-Phase Manifold for Stable and High Fidelity Tweezer-Array Generation
提出一种基于相对相位流形的超表面全息方法，通过反向投影优化调整少量相位参数，实现高保真、偏振分辨的光学镊子阵列生成，具有相位稳定性和抗像差能力。
2026-05-24 physics.optics
Design of Planar and Conformal, Passive, Loss-less Metasurfaces that Beamform
提出了一种利用全波建模技术和快速优化方法来合成平面和共形波束形成元表面的通用技术。合成的超颖表面由有限尺寸的接地电介质衬底支撑的图案化金属覆层组成。使用积分方程对超颖表面进行建模，该积分方程精确地考虑了互耦合和超颖表面的有限尺寸。合成技术由三个阶段组成：直接求解阶段，以获得具有满足所需远场波束规格的复值阻抗的初始元表面设计，随后的优化阶段，将复值阻抗转换为纯电抗阻抗，以及最终图案化阶段，以实现作为图案化金属覆层的纯电抗阻抗。优化阶段引入表面波，促进无源性。使用梯度下降法优化元表面，并使用伴随变量法获得半解析梯度。提出了三个例子：具有接近完美孔径效率的低轮廓直接馈电超颖表面天线、具有受控旁瓣的扫描波束反射阵列设计以及共形超颖表面反射阵列。验证了超表面的远场和近场性能，并研究了超表面的带宽和损耗容限。
2022-06-21 physics.app-ph physics.optics
Physical Limits and Optimal Synthesis of Beyond Diagonal Anomalous Scatterers
本文推导了基于非局部匹配网络的天线阵列系统在反常散射上的紧致物理界限，显式综合了匹配网络，并分析了超表面天线的基本极限，揭示了反常方向双基地RCS典型降低6dB的固有代价。
2025-05-01 cs.SY eess.SP eess.SY
Fano resonances in all-dielectric electromagnetic metasurfaces
该工作为全介质超表面建立了严格的数学框架，分析亚波长共振及其渐近展开，证明实共振存在性，并利用群论与变分法揭示对称性破缺可引发法诺型反射和透射异常。
2023-10-12 math.AP physics.optics
Inverse Design and Experimental Verification of a Bianisotropic Metasurface Using Optimization and Machine Learning
University of Toronto（多伦多大学）
电磁超颖表面由于其低轮廓和有利的应用，最近引起了极大的兴趣。实际上，许多超表面设计开始于对辐射远场的一组约束，诸如主波束方向和旁瓣水平，并且结束于表面的非均匀物理结构。这个问题是相当具有挑战性的，因为所需的切向场变换是不完全知道时，只有约束被放置在散射场。因此，所需的表面特性无法解析求解。此外，将所需的表面特性转换为物理单位单元可能是耗时且困难的，因为它通常是大型解空间中的一对多映射。在这里，我们将逆向设计过程分为两个步骤：宏观和微观设计步骤。在前者中，我们使用迭代优化过程来找到辐射符合指定约束的远场图案的表面特性。这种迭代过程利用非辐射电流来确保无源和无损设计。在微观步骤中，这些优化的表面特性是使用机器学习代理模型通过物理单位单元实现的。这种端到端的合成过程的有效性证明通过分束原型的测量结果。
2022-03-28 cond-mat.mtrl-sci cs.LG eess.SP
General Refraction Problems with Phase Discontinuity
本文提供了一种研究非平坦几何中元曲面的数学方法。引入了曲面曲率与折射方向之间的解析条件，以保证相位不连续性的存在。该方法包含近场和远场的情况下。一个出发点是制定一个矢量斯涅耳定律的存在下，突然中断的接口。
2017-03-17 math.AP physics.optics
