Coupled plasmon wave dynamics beyond anomalous reflection: phase gradient Copper metasurface for visible to the near infrared spectrum
在纳米级光子器件中,对超颖表面2D光学器件的多功能性的需求迅速增加。为了探索设计度量中的微调,我们重新研究了梯形形状的铜超颖表面,其具有用于有效地将线性偏振光用于两种不同功能的差分时域模拟。从等离子体能带结构,我们看到几何形状的不对称程度如何影响行进等离子体模式的有效共振耦合,以及与纳米天线的几何形状相关的不同类型的模式杂交分布。通过调节纳米天线的长度,我们可以激发出由这种结构支持的有效等离子体模式,并从垂直入射的自由空间光中单向引导出表面波,用于可见光到红外范围。定向表面等离子体激元具有反对称和对称模式,根据纳米天线的长度和波长在连续金属层的顶表面和底表面之间振荡。该铜超颖表面针对宽带(600-900 nm)异常光束转向的远场应用进行了优化,平均效率为65%,最大角度为64度。这项工作带来了更多的理解如何一个超表面可以实现在小足迹等离子体器件,波导模式控制,以及光束转向与他们的波长相关的功能。
2022-06-11 physics.optics
Space-time gradient metasurfaces
超颖表面的特点是横向梯度的局部阻抗最近打开了令人兴奋的方向在纳米尺度上的光操纵。在这里,我们添加了一个时间梯度的图片,显示在一个表面上的时空变化可能会在很大程度上扩展在元表面的光操纵的程度,并打破他们的几个相关的对称性的约束。作为一个例子,我们合成了一个非互易的经典模拟电磁感应透明,打开一个狭窄的窗口,单向传输,否则不透明的表面。这些属性铺平了道路,磁自由,平面化的非互易性表面的自由空间隔离。
2015-06-01 cond-mat.mes-hall physics.optics
Quantum CZ Gate based on Single Gradient Metasurface
本研究提出基于单梯度超构表面的量子CZ门实现方案,利用其平行分束与偏振控路径特性,可在同一块超构表面实现多种构型及编码方式的CZ门,提升量子器件集成度,为超构表面集成量子逻辑功能奠定基础。
2024-05-16 physics.optics quant-ph
High-Efficiency, Extreme-Numerical-Aperture Metasurfaces Based on Partial Control of the Phase of Light
高质量的平面光学元件需要大角度和宽波长范围内的高效光偏转。尽管相位梯度超颖表面通过利用亚波长尺寸的散射体向电场连续添加0至2π范围内的相移来实现这一点,但是它们的性能受到界面处相位调制的空间分辨率的限制。在这里,我们介绍了一类新的超颖表面的基础上的一般配方,其中的相移覆盖小于整个0-2π范围,提供显着的优势。更具体地说,这种方法允许实现具有更紧凑和更少相互作用的散射体的超颖表面,因此更精确的相位调制,并且将超颖表面的性能限制推进到显著超过全覆盖相位梯度方法的那些的域。将这一概念应用于等离子体和电介质表面,我们证明了大的相位梯度导致高数值孔径浸没超透镜(NA=1.4),在可见波长处具有近衍射极限分辨率(~0.32λ)。我们的概念能够增加功能,例如在单层上的宽带性能和波长解复用,超过了单层等离子体超颖表面的理论交叉偏振传输效率限制,并为介电超颖表面产生67%的效率。这项工作为实现高分辨率平面光学元件和高效等离子体元器件铺平了道路。
2018-07-18 physics.optics
Quantum Phase Gradient Imaging Using a Nonlocal Metasurface System
ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS), Department of Electronic Materials Engineering, Research School of Physics, The Australian National University(澳大利亚国立大学);Institute of Quantum Precision Measurement, State Key Laboratory of Radio Frequency Heterogeneous Integration, College of Physics and Optoelectronic Engineering, Shenzhen University(深圳大学);Institute of Solid State Physics, Abbe Center of Photonics, Friedrich-Schiller-University Jena(耶拿弗里德里希·席勒大学);TMOS, Department of Electrical and Electronic Engineering, School of Physics, University of Melbourne(墨尔本大学);Institute of Applied Physics, Abbe Center of Photonics, Friedrich Schiller University Jena(耶拿弗里德里希·席勒大学);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)
本文提出一种紧凑的量子相位梯度成像系统,结合铌酸锂超材料生成空间纠缠光对和硅超材料提取相位梯度,实现高精度成像,具有潜在的高像素分辨率提升和广泛的应用前景。
2025-12-07 physics.optics quant-ph
Spatiotemporal Metasurface for Ultrafast All-Optical Wavefront Shaping
Friedrich Schiller University Jena(耶拿弗里德里希·席勒大学);Friedrich Schiller University(弗里德里希·席勒大学)
该研究提出一种全光超快动态波前整形策略,通过泵浦脉冲调控半导体纳米线超表面的介电常数,实现了皮秒级开关的瞬态波前调控,为全光可重构金属透镜奠定基础。
2026-08-04 physics.optics
Dual-Gradient Plasmonic qBIC Metasurface for Time-Resolved In Situ Optimization of Molecular Vibrational Sensing in Water
Hamburg University of Technology(汉堡工业大学);Ludwig-Maximilians-University(慕尼黑大学);Universidade Federal de Pernambuco(伯南布哥联邦大学);University of Trento(特伦托大学);Monash University(蒙纳士大学);Imperial College London(伦敦帝国学院)
该研究提出双梯度等离激元qBIC超表面,实现水中分子振动传感的原位优化,可实时监测脂质囊泡动态,为水相生物动态研究提供单芯片策略。
2026-09-01 physics.optics
Accelerating Inverse Design of Optical Metasurfaces: Analytic Gradients of Periodic Green's Functions via Quasi-Modular Forms
Suzhou City University(苏州城市大学);Peng Cheng Laboratory(鹏城实验室)
本研究提出了一种解析梯度引擎,通过拟模形式理论实现周期格林函数的精确梯度计算,从而加速光学超材料的逆设计。
2026-03-04 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
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
A Parallel Beam Splitting Based on Gradient Metasurface: Preparation and Fusion of Quantum Entanglement
本文提出利用梯度超表面的路径-偏振锁定特性实现平行分束,用于制备多光子混合纠缠态并演示纠缠融合,以扩展纠缠维度,为片上量子光学提供新途径。
2024-03-13 physics.optics quant-ph
Fundamental Properties and Classification of Polarization Converting Bianisotropic Metasurfaces
我们提供了一个详细的讨论的电磁建模和分类的极化转换双各向异性超颖表面。为此,我们首先提出了一种通用的方法来计算这种超颖表面的散射响应,这依赖于一个广义片过渡条件为基础的磁化率模型。然后,我们回顾了如何的互易性,能量守恒,旋转不变性和匹配的基本属性可能会表示在元表面的极化率和散射参数,并显示这些属性可能会影响和限制的极化效应的元表面。最后,我们将超颖表面的磁化率模型与散射粒子的结构对称性及其相关的极化效应联系起来。因此,这项工作提供了一个详细的理解超颖表面的偏振转换特性,并可能被证明是特别感兴趣的实际实施。
2020-08-13 physics.optics
Eliminating nearfield coupling in dense high quality factor phase gradient metasurfaces
提出一种利用纵向与横向电场干涉实现零耦合的策略,消除了高Q超表面中Q值与分辨率的权衡,实现了高效低功耗的光束偏转与分束。
2024-05-14 physics.optics
Simultaneous Perfect Bending and Polarization Rotation of Electromagnetic Wavefront using Chiral Gradient Metasurfaces
我们引入手征梯度超颖表面,允许所有的入射波完美的传输到一个所需的方向和同时完美的旋转的偏振的折射波相对于入射。除了使用提供折射波相对于入射波的弯曲的梯度偏振密度之外,使用手性的超颖表面内含物允许折射波的偏振旋转。我们提出了一种可能的实现所提出的设备通过离散化所需的等效表面极化密度实现适当的螺旋夹杂物在每个离散点。通过仅使用单个光学薄层的手性夹杂物,我们能够以$72\%$功率效率在$45^{\circ}$处将法向入射平面波偏转为折射平面波,所述$72\%$功率效率伴随有$90^{\circ}$偏振旋转。所提出的概念和设计方法可以在微波偏振旋转器件以及光学中找到实际应用,特别是当入射功率需要偏转时。
2019-05-11 physics.app-ph physics.optics
Transverse optical gradient force in untethered rotating metaspinners
本文提出利用光学超表面构建非束缚超自旋器,在液体中实现光致旋转,并发现其受横向光学梯度力作用,导致多个超自旋器反向公转,为光驱微机械和活性物质系统提供新思路。
2024-12-16 physics.optics
Time-Varying Metasurfaces and Lorentz Non-Reciprocity
光学的基础方程,斯涅耳定律,涉及光穿过两种介质之间的界面的入射角和折射角。它建立在两个基本的约束上:切向动量守恒和能量守恒。当使用空间梯度相位不连续性时,通过放松经典的Snell定律光子动量守恒约束,光学超颖表面使得能够实现一种全新类别的超颖光学器件。在这里,我们表明,通过消除光子能量守恒约束时,引入时间梯度相位不连续性,我们可以进一步授权的平面光子学领域,并获得一个新的属的光学器件。通过这种方法,经典的Snell关系被发展成一个更普遍的形式,不受洛伦兹互易性的限制,因此,满足所有的要求,建设无磁光隔离器。此外,光子经历与时间梯度超颖表面的非弹性相互作用,这修改光子能量本征态并导致多普勒样波长偏移。因此,具有空间和时间梯度的超颖表面可以对大量的光子应用产生强烈的影响,并提供对光的物理特性的通用控制。
2015-07-17 cond-mat.mes-hall physics.optics
Active metasurfaces: lighting the path to commercial success
本文展望有源超表面技术的最新进展与应用,分析其从实验室走向商业化的关键研究挑战和突破方向。
2022-05-31 physics.optics
Nonlinear Phase Control and Anomalous Phase Matching in Plasmonic Metasurfaces
超表面,特别是包含基于等离子体的金属元素的超表面,构成了一组特别有吸引力的材料。借助于现代纳米光刻制造技术,可以构造平坦的、半透明的光学元件。然而,尽管它们具有很强的光学非线性,等离子体超颖表面到目前为止主要是在线性范围内进行研究。在这里,我们介绍了全非线性相位控制超颖表面等离子体元素。我们发现,在一个相位梯度非线性超颖表面的非线性相互作用的一个新的异常非线性相位匹配条件普遍存在,这是线性超颖表面的广义Snell定律证明的非线性模拟。该相位匹配条件与其它已知的相位匹配方案非常不同。光学非线性的亚波长相位控制为基于超颖表面的平面非线性光学元件的设计提供了基础。我们展示的平面非线性元件(即透镜)作为频率转换信号的发生器和操纵器。
2015-05-21 physics.optics
Metasurfaces in Adaptive Optics: A New Opportunity in Optical Wavefront Sensing
本文综述了超表面技术如何通过亚波长微结构实现对光场相位、振幅和偏振的多维控制,从而为自适应光学中的波前传感带来变革性新机遇,并展望其在下一代高精度波前传感中的理论框架与应用前景。
2025-05-05 physics.optics
Phase-gradient metasurfaces based on local Fabry-Perot resonances
在这项工作中,我们提出了一种新的机制,设计相位梯度超颖表面(PGM)控制电磁波阵面与高效率。具体地说,我们设计了一种透射型PGM,它由一个周期性的亚波长金属狭缝阵列组成,阵列中填充了不同高度的相同狭缝。研究发现,当介质区域内局部发生法布里-珀罗(FP)共振时,除了常见的完全透射现象外,两个相邻狭缝之间的透射相位差完全相同,为非零常数。这些局部FP谐振确保了可以完全覆盖0到2 Pi范围的整个超级单元的总相移,满足了PGM的设计要求。更多的研究表明,由于局部FP谐振,相位差和填充介质的介电常数之间存在一一对应关系。类似的方法可以扩展到反射型的情况和其他波前变换,创造波操纵的新机会。
2020-08-31 physics.app-ph physics.optics
Continuous spectral and coupling-strength encoding with dual-gradient metasurfaces
提出双梯度超表面,通过二维平滑变化纳米谐振器连续编码光谱与品质因子参数空间,实现27,500种模式,增强光-物质耦合调控,推动传感与光子应用。
2024-02-05 cond-mat.mes-hall 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
Topology optimized plasmonic metasurfaces for optical trapping of nanoparticles
提出基于密度的拓扑优化框架,通过最大化梯度力优化等离激元超表面,实现对不同尺寸和材料纳米颗粒的高效光捕获,并引入制造约束以简化设计。
2026-07-03 physics.optics
Increasing efficiency of high numerical aperture metasurfaces using the grating averaging technique
光学超颖表面优于常规衍射光学元件的重要优点之一是它们能够有效地使光偏转大角度。然而,超颖表面通常使用对于小偏转角最佳的方法来设计,并且它们用于设计高数值孔径器件的性能没有很好地量化。在这里,我们介绍和应用的高数值孔径元表面的效率估计的技术。该技术是基于一个特定的相干平均的周期性闪耀光栅的衍射系数,并可以用来比较不同的元表面设计的性能,在实现高数值孔径设备。与依赖于全波模拟并且仅在设计小的元表面中可行的基于优化的方法不同,梯度平均技术允许设计任意大的元表面。使用这种技术,我们确定了一个非常规的超曲面设计和实验证明超透镜的数值孔径为0.78和测量的聚焦效率为77%。光栅平均是适用于许多类型的梯度超颖表面的通用技术,从而实现高效的超颖表面组件和系统。
2020-04-13 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
Polarization-Independent and High-Efficiency Dielectric Metasurfaces Spanning 600-800 nm Wavelengths
人工超颖表面能够以高空间分辨率完全操纵光的相位、振幅和偏振。基于高折射率和低损耗的超颖表面的新兴设计使得具有高透射率的新型超颖表面得以实现,但这些器件通常工作在有限的带宽内,并且对入射偏振敏感。在这里,我们首次通过实验报告了跨越约200 nm可见波长的偏振无关且高效的介电超颖表面,这对于在宽光谱范围内工作的新型平板光学器件非常重要。由多重对称纳米晶硅纳米柱组成的梯度超表面在670 nm处的衍射效率高达93%,在600 ~ 800 nm波长处的衍射效率超过75%。这些介电超颖表面具有很大的潜力,以取代棱镜,透镜和其他传统的光学元件。
2015-09-30 physics.optics
RCS angular control with gradient metasurfaces: design and measurement
Univ-Rennes, INSA Rennes, CNRS, IETR-UMR 6164(雷恩大学、法国国立应用科学学院雷恩分院、法国国家科学研究中心、信息与电子工程研究所联合研究单位);CEA CESTA(法国原子能与替代能源委员会);Defense Innovation Agency, Ministry of the Armed Forces(国防部国防创新局)
针对此前超表面RCS半解析模型缺乏实验验证的问题,本研究完成了周期性梯度超表面的制备与测量,验证了其在指定寄生方向的RCS缩减效果,证实了模型与优化方法的有效性。
2026-09-14 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Freestanding dielectric nanohole array metasurface for mid-infrared wavelength applications
我们设计并模拟了基于硅膜上蚀刻纳米孔阵列的独立介质光学超颖表面。我们通过调节孔的尺寸,在中红外波长处显示了$2π$相位控制和高前向透射。我们还确定了负责高前向散射效率的机制,并表明,这些条件与众所周知的Kerker条件已经提出了孤立的散射体。采用序贯粒子群算法和梯度下降法优化设计了光束偏转器,以最大限度地提高传输效率和减少不需要的光栅阶数。这种独立的硅纳米孔阵列超颖表面有望用于实现硅基中红外光学元件。
2018-05-23 physics.optics
Simulation of large-area metasurfaces with a distributed transition matrix method
大面积超颖表面的逆向设计可以潜在地利用这种器件提供的完整参数空间,并实现高效的多功能平面光学元件。然而,由于实际上有用的平面光学元件在线性维度上很大,因此对其散射特性的准确模拟是具有挑战性的。在这里,我们展示了一种方法来计算大面积元表面的精确模拟和梯度。我们的方法依赖于两个关键因素-模拟分布策略,允许线性减少模拟时间与计算(GPU)节点的数量和使用转换矩阵(T矩阵)方法的有效的单节点计算。我们展示了执行大面积分布式模拟的能力,同时准确地占散射体-散射体相互作用显着超出局部周期性近似,并有效地计算相对于超颖表面设计参数的梯度。这种可扩展且精确的元表面模拟方法为基于梯度的全大面积元表面优化打开了大门。
2022-02-21 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Silicon metasurfaces for third harmonic geometric phase manipulation and multiplexed holography
非线性波前控制是利用超颖表面实现非线性光学应用的关键要求。非线性频率转换和波前控制的许多方面已经被证明用于等离子体超颖表面。然而,一些缺点限制了它们在非线性纳米光子学中的应用,包括高耗散损耗和低光学损伤阈值。相比之下,已经表明,由高折射率金属构成的超表面可以提供强的非线性响应。尽管最近在使用全介电纳米结构和超颖表面的非线性光学过程中取得了进展,但在直接利用生成过程实现完全波前控制方面取得的进展要少得多。在这里,我们展示了非线性波前控制的三次谐波产生与硅超颖表面。我们使用Pancharatnam-Berry相位方法对纳米结构硅超颖表面上的相位梯度和全息图像进行编码。实验证明了偏振相关的波前控制和编码全息图在三次谐波波长下的高保真再现。此外,我们表明,全息复用是可能的,通过利用三次谐波产生的偏振态。我们的方法简化了设计和制造过程,并铺平了道路,以一个易于使用的工具箱,非线性光学波前控制与全介质超颖表面。
2020-04-08 physics.optics
Mass-manufactured Gradient Plasmonic Metasurfaces for Enhanced Mid-IR Spectrochemical Analysis of Complex Biofluids
提出一种基于梯度等离激元微孔阵列超表面的SEIRAS平台,通过高通量晶圆级制造和级联共振峰实现复杂生物流体的高效中红外指纹分析,为生物医学应用奠定基础。
2025-03-04 physics.app-ph physics.optics
Metasurface holography: from fundamentals to applications
全息术已经成为一种重要的方法,完全工程的波前光,因为它的发明可以追溯到上个世纪。然而,典型的大像素尺寸、小视场和有限的空间带宽在按需高性能应用中施加了限制,特别是对于三维显示和大容量数据存储。同时,超颖表面在通过具有高空间分辨率的组成双平面元件的良好定制的散射行为来控制光的传播方面显示出巨大的潜力,使它们适合于全息光束整形元件。在这里,我们回顾了超颖表面全息领域的最新进展,从超颖表面的分类到自由空间波和表面波的设计策略。通过采用全息复用的概念,可以使用超表面来采用多个信息信道,诸如波长、偏振状态、空间位置和非线性频率转换。与此同时,通过功能材料的集成,可切换的超颖表面全息刺激从被动到主动元件的逐渐过渡。重要的是,全息原理已经成为解决电磁波的逆向工程问题的通用且简单的方法,从而允许实现各种相关技术。
2019-03-24 physics.optics
Recent Advances in Tunable Metasurfaces: Materials, Design and Applications
超表面是由平面超原子构成的超材料的二维形式,具有自由剪裁电磁波的奇异能力。在过去的十年中,可调超颖表面已经进入了纳米光子学领域的前沿,人们付出了巨大的努力来开发和集成各种活性材料到超颖表面中。因此,具有由各种外部刺激触发的多功能性的可调谐/可重构超颖表面已被成功展示,为光子应用的需求打开了动态操纵和控制EM波的新途径。在这篇综述中,我们首先简要介绍了可调超表面的发展在过去十年中的进展,并从活性材料的开发,设计方法和应用驱动的探索的角度突出的代表性工作。然后,我们详细介绍了有源调谐机制和相关的活性材料。接下来,我们将讨论理论上的最新成就以及机器学习(ML)辅助设计方法,以维持该领域的发展。在此基础上,总结和描述了可调元表面的典型应用领域。我们通过分析现有的挑战和提出我们对这个充满活力和快速发展的领域的未来方向和机遇的看法来结束这一审查。
2022-01-19 physics.app-ph physics.optics
Guided mode meta-optics: Metasurface-dressed nanophotonic waveguides for arbitrary designer mode couplers and on-chip OAM emitters with configurable topological charge
超颖表面在自由空间裁剪复杂光场方面取得了丰硕的成果。然而,应用元光学的概念来完全控制波导模式的系统研究仍然是难以捉摸的。在这里,我们提出了一个全面的目录,能够选择性地和排他性地激发几乎任意的高阶波导模式的利益,利用硅超颖表面图案化的氮化硅波导。通过同时设计超颖表面的相位匹配梯度和纳米天线近场与目标波导模式之间的矢量空间模式重叠以用于激励,成功地发射了单个或多个高阶模式,具有高达98%的高纯度和宽带宽。此外,理论上还证明了片上扭曲光发生器具有从-3到+2的可配置OAM拓扑电荷\ell,作为超表面使能导模光学的综合框架,并激励进一步的应用,如多功能集成耦合器,解复用器和基于模分复用的通信系统。
2021-11-03 physics.optics
Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries
本文提出利用五种平面Bravais晶格对称性与元原子几何的相互作用来通用调控共振超表面的手性响应,并通过中红外透射与圆二色性同时图像编码验证其应用潜力。
2024-12-30 physics.optics
Spatial wavefront shaping with a multipolar-resonant metasurface for structured illumination microscopy
针对结构光照明显微镜现有系统器件庞大、对准要求高的问题,提出基于多极共振硅纳米结构超构表面的波前调制方案,经算法优化得到7种最优照明图案,模拟验证分辨率与传统方法相当,为简化SIM实验提供新路径。
2023-09-25 physics.optics
Point singularity array with metasurfaces
本研究利用超表面逆向设计,在柱对称场中确定性生成十个点奇点阵列,实现紧密纵向约束,并展示其在原子陷阱和超分辨成像中的潜力。
2022-11-28 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
Computational inverse design for cascaded systems of metasurface optics
超表面是一种新兴技术,可能会取代成像设备、显示器和精密科学仪器中的许多传统光学器件。在这里,我们开发了一种方法,用于设计由多个独特的超颖表面按顺序排列的光学系统。我们的方法是基于计算逆设计,也被称为伴随梯度法。该技术能够并行优化数千或数百万个独立的设计变量,用户只需很少或根本不需要干预。为了证明我们的方法的广泛适用性,我们用它来设计一个消色差的双重元表面透镜,光谱复用全息元件,和一个超紧凑的光学神经网络分类手写数字。
2019-06-25 physics.app-ph physics.optics
Control of optical spin Hall shift in phase-discontinuity metasurface by weak value measurement post-selection
利用微弱的测量放大效应,在折射率梯度$\vec{\nabla} n$垂直于空气-玻璃界面的情况下,观察到了光学自旋霍尔(OSH)位移。相位不连续超颖表面(PMS)具有与超颖表面相切的$\vec{\nabla} n$,并且根据入射角发生正折射或负折射,满足广义斯涅耳定律。在PMS的亚波长距离上的快速相位变化导致大的$\vec{\nabla} n$,使得能够直接观察OSH移位。在这里,我们确定,与自旋$\pm 1$的光束之间的相对OSH移位取决于入射角和折射角在PMS,并构建一个测量OSH效应与可变的相位延迟在后选择演示控制的横向移位。并通过在后选择中构造具有可变相位延迟的弱值测量来展示OSH移位的控制。OSH移位控制的能力允许适用于纳米级光子学(诸如角动量转移和感测)的可调精度计量。
2015-02-16 physics.optics
Full control of polarization states and phase distributions of light with dual-metasurfaces
控制光的相位和偏振态是几乎所有光学研究的重要目标。需要开发一种允许同时操纵偏振和相位分布的高效光学组件。传统的方法需要多个光学器件的组合,单个光学器件无法轻易实现对光的完全控制。我们从理论上预测和实验验证,我们提出的双超颖表面提供了一个很好的手段,同时操纵相位和偏振的透射光在纳米尺度。通过在界面上引入相位梯度,实现了近红外区域偏振可控的近完美反常折射。在这些特性的基础上,我们创建了一个能够产生径向偏振光束的双超颖表面,展示了完全控制光的能力。这项工作为提高光的操纵自由度开辟了令人兴奋的途径,包括偏振和相位的传播方向和分布,并可能深刻影响广泛的等离子体应用。
2014-03-26 physics.optics
Transformation Optics for Plasmonics: from Metasurfaces to Excitonic Strong Coupling
本文综述了变换光学理论在深亚波长电磁现象解析描述中的最新理论进展。首先,我们提出了一个一般性的描述的技术,连同其通常利用超材料的概念和优化在不同领域的波动物理。接下来,我们将详细讨论等离子体超颖表面的设计,包括奇异几何形状的描述,允许在MEMS平台的宽带吸收。最后,我们讨论了单发射极水平下纳米腔中等离子激元-激子强耦合的准解析处理。
2019-07-31 cond-mat.mes-hall physics.optics
Disordered Optical Metasurfaces: Basics, Properties, and Applications
本综述梳理了无序光学超构表面的光散射基础理论、数值分析方法、制备技术及典型应用,指出其可实现独特功能或提升性能,在大规模应用场景中颇具发展潜力。
2025-03-06 physics.app-ph physics.optics
Topological metasurface: From passive toward active and beyond
超颖表面是亚波长结构的薄膜,其由允许在亚波长厚度上控制光的偏振、相位和振幅的单元阵列组成。拓扑光子学的最新发展极大地拓宽了设计用于新功能应用的超表面的视野。本文首先从经典拓扑超表面的被动和主动两个方面,然后从量子拓扑超表面的角度,综述了拓扑超表面的研究进展。更具体地说,我们首先研究了二维光子系统中的无源拓扑现象,包括时间反演破缺系统和时间反演守恒系统。随后,我们讨论了主动拓扑元表面的前沿研究,包括非线性拓扑元表面和可重构拓扑元表面。在概述了经典体系中的拓扑元表面之后,我们展示了拓扑元表面如何为量子信息和量子多体物理提供一个新的平台。最后,我们总结并描述了这个快速发展的领域的一些挑战和未来的发展方向。
2022-12-29 physics.app-ph 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
Inverse Design of Photonic Metasurface Gratings for Beam Collimation in Opto-fluidic Sensing
超颖表面提供了能够使平面上的光学元件的复杂级联小型化的破坏性技术。我们利用这样的表面的好处,开发一个平面集成光子束准直器的片上光流传感应用。虽然目前的大部分工作集中在简化的光学“检测”硬件,很少注意到开发的光学“激发”的片上硬件。在这篇手稿中,我们提出了一个平坦的超颖表面光束准直的光流体应用。我们实现了一种逆设计方法,使用梯度下降法优化超颖表面和实验比较其特性与传统的二元光栅为基础的光子束衍射器。所提出的超颖表面可以在诸如荧光成像、拉曼和IR光谱的芯片上应用中将照明效率提高几乎两倍,并且可以实现用于高通量生物传感的光源的复用。
2019-10-31 physics.app-ph physics.optics
Nonlinear optical metasurfaces empowered by bound-states in the continuum
本文综述 BICs 赋能的非线性光学超表面,梳理其频率转换物理机制、典型应用及新兴方向与挑战。
2025-03-14 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
Physics-informed Neural Operators for Predicting 3D Electromagnetic Fields Transformed by Metasurfaces
本文提出了一种具有物理信息的神经算子,用于高效预测由超材料表面变换的三维电磁场,实现了比传统模拟快67倍的预测速度和3.9%的误差率。
2025-12-17 physics.optics
Metasurface-Based Free-Space Multi-port Beam Splitter with Arbitrary Power Ratio
本文提出一种基于偏振无关全介质超表面的自由空间多端口分束器,通过梯度下降算法优化相位模式,实现任意功率比和输出方向,实验显示高效率和保真度。
2023-03-22 physics.optics
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
Wavelength and Polarization Multiplexed Nonlocal Metasurface for Quantitative Phase Microscopy
ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, School of Physics, The University of Melbourne(墨尔本大学变革性超光学系统卓越中心物理学院);School of Physics, The University of Melbourne(墨尔本大学物理学院);Department of Biochemistry and Pharmacology, The University of Melbourne(墨尔本大学生化与药理学系);Functional Materials and Microsystems Research Group and the Mico Nano Research Facility, RMIT University(皇家墨尔本理工大学功能材料与微系统研究组及微电子纳米研究设施);ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, RMIT University(皇家墨尔本理工大学变革性超光学系统卓越中心)
利用非本地超表面实现单次曝光低噪声差分相位成像,用于定量相位显微镜在生物和材料科学中的应用。
2026-03-02 physics.optics
Spatially Encoded Polaritonic Ultra-Strong Coupling in Gradient Metasurfaces with Epsilon-Near-Zero Modes
本文提出利用介电双梯度超表面中的准束缚态,在超薄SiO2层中实现与ENZ模式的超强耦合,归一化耦合强度达0.101,模式分裂为ENZ能量的20%,较此前方法提升四到五倍,为紧凑可扩展的极化激元器件提供了新途径。
2025-06-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Electrically Reconfigurable Nonvolatile Metasurface Using Low-Loss Optical Phase Change Material
有源超颖表面承诺可重构光学器件,与传统的大块对应物相比,具有大幅提高的紧凑性、坚固性、可制造性和功能性。光学相变材料(O-PCM)以其大的折射率对比度和非易失性开关特性为有源超颖表面器件提供了一种有吸引力的材料解决方案。在这里,我们报告我们认为是第一个电可重构的非易失性超表面的基础上O-PCM。该器件中使用的O-PCM合金Ge 2Sb 2Se 4 Te 1(GSST)独特地结合了巨大的非易失性折射率调制能力,宽带低光损耗和大的可逆开关体积,从而能够显着增强活性O-PCM介质内的光-物质相互作用。利用这些有利的属性,我们展示了连续可调的有源超颖表面,具有创纪录的半倍频程光谱调谐范围和超过400%的大光学对比度。我们进一步制作了一个偏振不敏感的相位梯度超颖表面,以实现动态光束转向。
2020-09-02 physics.app-ph physics.optics