High-efficiency light-wave control with all-dielectric optical Huygens' metasurfaces
光学超颖表面已经发展成为由亚波长共振纳米结构实现的先进波前工程的突破性概念。然而，反射和/或吸收损耗以及低偏振转换效率对实现实际应用所需的高传输效率构成了根本障碍。在这里，我们展示了，第一次我们的知识，高效的全介质超表面的近红外频率使用硅纳米盘阵列作为元原子。我们采用惠更斯源的主要特点，即光谱重叠的电和磁偶极子共振的强度相等，以证明惠更斯的超颖表面与一个完整的传输相位覆盖的360度和近统一的传输，我们确认实验全相位覆盖与高效率的传输相结合。基于这些关键特性，我们表明，全电介质惠更斯超颖表面可能成为一个新的范例，平面光学器件，包括光束转向，光束整形，聚焦，以及全息和色散控制。
2014-05-20 physics.optics
Ultrafast, reconfigurable all-optical beam steering and spatial light modulation
本文利用高品质因子超表面中的光学克尔效应，实验实现了响应时间74飞秒、偏转角±13°的超快可重构全光光束偏转及二维空间光调制，为超快信号处理与成像开辟新途径。
2025-11-05 physics.optics
Magnetic Lifting of BIC Symmetry Protection Enables Nonreciprocal Beam Steering and Angular Information Encoding
School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学机械科学与工程学院）；Advanced Quantum Architecture Laboratory (AQUA), Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院先进量子架构实验室）
本研究通过磁提升连续谱束缚态的对称性保护，在磁光光子晶体中实现非互易光束偏转，并利用波长与仰角、偏振与方位角的锁定关系进行角度信息编码，为多维LiDAR和集成光学提供新途径。
2026-09-24 physics.optics
High-order multipoles in all-dielectric metagrating enabling ultralarge-angle light bending with unity efficiency
近年来，梯度超颖表面已被广泛应用，以实现对薄光学部件上的光束的前所未有的控制。然而，这些超颖表面在以大角度弯曲光时效率低，并且在需要精细分辨时制造要求高。在本论文中，我们研究了基于米氏共振干涉的全介质折射率测量技术，利用特殊的光学衍射实现了大角度的光束控制。研究发现，由于变晶晶格内部和晶格之间的耦合作用，可以调谐电、磁共振的激发态，包括基本偶极子和高阶多极子，从而产生理想的非对称散射模式，使衍射通道之间的能量任意重新分配。四极和六极的加入不仅大大提高了工作效率，而且为偶极子无法实现的波操纵带来了独特的可能性。利用薄阵列的硅棒，大角度的负折射和反射，证明了几乎统一的效率下的两个偏振。与传统的超颖表面相比，这种全介质匹配光栅具有高柔性、高效率和低加工要求等优点。多极子之间的强耦合和繁荣的相互作用可以作为广泛的波前控制的基石，并为各种片上光波控制提供有效的解决方案，如弯曲，聚焦，滤波和传感。
2020-10-21 physics.optics
Tuning of Near- and Far-Field Properties of All-dielectric Dimer Nanoantennas via Ultrafast Electron-Hole Plasma Photoexcitation
通过低损耗纳米器件实现全光超快信号调制和路由是实现高性能超紧凑光学芯片的关键一步。在这里，我们提出了一个专门设计的硅二聚体纳米天线，这是可调的通过光激发的致密电子空穴等离子体与超快弛豫速率。基于这一概念，我们证明了光束转向的效果高达20度，通过简单的入射强度的变化，适合于超快光路由的光学芯片。在可见光和近红外光谱区域的硅和锗基纳米天线的效果都得到了证明。我们还揭示了电子-空穴等离子体光激发对二聚体带隙中的局域态密度（LDOS）的影响，发现取向平均LDOS可以改变50%，而投影LDOS的修改可以更显着：横向偶极取向几乎为500%。此外，我们的分析模型揭示了所研究的非线性纳米天线的瞬态动力学，产生所提出的超快纳米器件的所有时间特性。所提出的概念为创建用于光信号调制和路由的低损耗、超快和紧凑器件铺平了道路。
2016-06-16 physics.optics
Beam oscillations and curling in chirped periodic structures with metamaterials
研究了在平均折射率为零的情况下，电磁波在由负折射率（或左手）超材料和常规介质交替层组成的一维啁啾周期结构中的传播.我们考虑的情况下，当周期性结构有一个线性啁啾，啁啾是通过线性变化的层的厚度在整个结构。我们应用渐近分析方法分析布洛赫振荡，发现，在一个鲜明的对比，普通的周期性介质结构，在多层堆叠的超材料的能量流可能有相反的方向在带边，从而提供了新的可能性，在传输带的波束转向。
2008-10-21 physics.optics
Photonic Jackiw-Rebbi states in all-dielectric structures controlled by bianisotropy
电介质粒子的电共振和磁共振最近揭示了一系列令人兴奋的应用，在纳米级的光转向。粒子反转对称性的破坏进一步改变其电磁响应，从而产生双各向异性，也称为磁电耦合。最近的研究表明，磁电耦合在光子拓扑超材料的实现中起着至关重要的作用。为了进一步揭示这一基本联系，我们设计并实验测试了由电介质粒子组成的一维阵列，该阵列具有重叠的电共振和磁共振以及破缺的镜像对称性。翻转阵列中一半以上的元原子，我们观察到界面态的出现，提供了著名的Jackiw-Rebbi模型的光子实现。我们追踪这些状态的起源的事实，即粒子的双各向异性响应的局部修改影响其与相邻的元原子的有效耦合，这提供了一个有前途的途径，工程拓扑光态。
2019-03-13 cond-mat.mes-hall physics.optics
Efficient nonlinear wavefront shaping by dielectric metasurfaces
介电超颖表面提供了一个独特的平台，有效的谐波产生和光学波前操纵在纳米级。使用基于共振的超颖表面来调整具有高发射效率的非线性生成的波的相位和振幅是一项具有挑战性的任务，其通常需要最先进的数值方法。在这里，我们提出了一个简单而有效的方法相结合的抽样方法与蒙特卡罗方法来设计由椭圆硅纳米盘组成的全介质超颖表面产生的三次谐波波前。使用这种方法，我们证明了全非线性$2π$相位控制与均匀的和最高的可能的振幅，使我们能够设计超表面作为第三谐波光束偏转器能够转向光到所需的方向，具有高的发射效率。与迄今为止针对硅基超颖表面报道的最佳结果相比，实现了在第一衍射级处发射的三次谐波强度的高达$\sim 500$的因子的高放大。我们预计，所提出的方法将被广泛应用，作为替代常用的优化算法具有更高的复杂性和实施工作的设计与其他全息功能的元表面。
2022-09-30 physics.app-ph physics.optics
Control of the local and nonlocal electromagnetic response in all-dielectric reconfigurable metasurfaces
本研究针对光传播特性动态调控需求，利用非易失性相变材料设计全介质可重构超表面，实现电、磁及电磁耦合的全面调控，可用于光束转向、可切换单向吸收及非局域高效光调控。
2024-06-03 physics.app-ph physics.optics
Unlocking the full potential of wave-matter nonlinear coupling in the epsilon-near-zero regime
近年来，非常规的超材料特性引发了电磁研究的革命，揭示了波-物质相互作用的新场景。非常小的介电常数是这种不寻常特征的主要例子，因为它产生了一种奇异的静态状态，其中电磁场在物理上很大的区域内空间缓慢变化。因此，所谓的ε近零超材料提供了一个理想的平台，可以操纵“拉伸”场的内部细节。在这里，我们从理论上证明，一个标准的非线性是能够操作这样的操纵点，即使是薄板产生一个显着的非线性脉冲变换，如果介电常数是非常小的场带宽内。预测的非共振释放的全非线性耦合产生的ε-近零条件不诉诸任何场增强机制，并开辟了新的途径，利用物质非线性转向辐射的超紧凑结构。
2015-07-10 physics.optics
Electrostatic Steering of Thermal Emission with Active Metasurface Control of Delocalized Modes
本文提出并实验验证了一种石墨烯集成超表面结构，通过静电调控F-P腔去局域模式的相位，实现热发射方向连续转向，峰值发射率保持0.9以上。
2024-04-22 physics.app-ph physics.optics
Phase-only transmissive spatial light modulator based on tunable dielectric metasurface
快速发展的增强现实（AR）和3D全息显示技术需要具有高分辨率和视角的空间光调制器（SLM）来满足日益增长的客户需求。目前可用的SLM以及它们的性能受限于它们几微米量级的大像素尺寸。由于减少与液晶（LC）单元厚度相关联的像素间串扰的持续挑战，进一步的像素尺寸小型化已经停滞，所述液晶单元厚度必须足够大以累积所需的2π相位差。在这里，我们提出了一个概念的可调介电超颖表面调制的液晶环境，它可以提供突然的相位变化和解耦的相位积累从液晶盒的厚度，最终使像素尺寸的小型化。我们提出了一种基于超颖表面的SLM器件，该器件被配置为以>35%的效率和11°的大光束偏转角产生主动光束转向，LC单元厚度仅为1.5 μm，比传统器件小得多。我们实现了1.14 μm的像素尺寸，对应于877 lp/mm的图像分辨率，这是目前可用的商业SLM器件的30倍。基于超表面的SLM的高分辨率和视角为下一代近眼AR和3D全息显示技术开辟了新的道路。
2019-01-23 physics.app-ph physics.optics
Dynamic dielectric metasurfaces via control of surface lattice resonances in non-homogeneous environment
本文提出并实验演示了一种通过控制非均匀环境中的表面晶格共振来动态调谐介电超表面的新策略，揭示了光流控环境下SLR移动和阻尼两种机制，为高灵敏度传感器和高分辨率小像素显示器提供了新途径。
2023-04-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Tunable wavefront control in the visible spectrum using low-loss chalcogenide phase change metasurfaces
全电介质超颖表面提供了独特的解决方案，先进的波前操纵的光与完全控制的振幅和相位在亚波长尺度。然而，对于大多数这些设备的一个限制是缺乏它们的响应的任何制造后可调谐性。为了打破这一限制，一种有前途的方法是采用相变材料（PCM），它提供了一种快速，低能量和非易失性的手段，赋予超颖表面开关机制。在这方面，使用不同的硫属化物在中红外和近红外光谱中已经取得了很大的进步。然而，在可见光谱范围内，很少有器件表现出完全的相位操纵、高效率和可逆切换。在这里，我们实验证明了一个可调的全电介质惠更斯超颖表面硫化锑（Sb2S3）PCM，低损耗和高折射率的材料在可见光谱范围内，其非晶和结晶状态之间的大对比度（近0.5）。我们展示了接近2pi的相位调制与高相关的透射率，并使用它来创建可切换的光束转向和全息显示设备。这些新型硫属化物PCM超颖表面有可能成为下一代空间光调制器的平台，并影响可调和自适应平面光学器件、激光雷达等应用领域。
2022-06-15 physics.optics
All-dielectric high-Q dynamically tunable transmissive metasurfaces
本文提出一种全介电高Q值低损耗主动超表面，通过非晶硅柱谐振器与晶体硅衬底间距设计实现透射共振峰，并利用热光效应在近红外波段实现低至7.3 μs的动态光束切换与转向。
2023-09-14 physics.app-ph physics.optics
Reconfigurable continuous-zoom metalens in visible
传统变焦镜头的设计一直是一个挑战，因为它不仅需要复杂的光学设计策略，而且需要复杂和精确的机械结构来调节镜头。在本文中，我们提出了一个连续变焦镜头组成的两个手性几何超颖表面与介电纳米砖阵列坐在一个透明的基板上。超透镜可以通过沿着其光轴旋转两个超表面中的任一个来连续地改变焦距，而不改变任何其他条件。更重要的是，由于几何超曲面的偏振依赖性，只需改变入射圆偏振光的旋向性，同一超透镜的正负极性就可以互换，原理上可以产生从负无穷大到正无穷大的变化焦距。该超透镜具有结构紧凑、设计灵活、易于实现等优点，为连续变焦光学系统的发展提供了新的前景，可应用于超紧凑连续变焦成像和可重构光束波前控制等领域。
2019-05-16 physics.optics
Curved beam generation and its experimental realization by rectangular prism with asymmetric polynomial back surface
随着自加速光束的发现，在自由空间中获得弯曲光束的可能性已经实现。这些特殊的光束为许多新的应用铺平了道路，也为新型光束的探索铺平了道路。近年来，人们在实现不同类型的弯曲光束，如光子弯钩和艾里光束等方面做了大量的研究工作。这些弯曲类型的光束是通过引入结构不对称性或对结构的输入和输出面施加不均匀的介电分布来获得的。在这方面，我们提出了专门设计的非对称结构与多项式背表面产生弯曲的光束。提出的无损介质结构可以产生弯曲的光束，频率从15.78 GHz到20.09 GHz，相应的曲率角最小41.34度和最大57.58度。弯曲光束形成的物理背景是基于出射光波的干涉，出射光波在上多项式表面和下多项式表面上相互作用，这提供了导致传播光的弯曲轨迹的相位调制。此外，进一步研究了所观察到的波束转向效应，并在微波区进行了实验验证，以验证我们的设计的工作原理。
2022-12-05 physics.app-ph physics.class-ph physics.optics
Nonreciprocal Pancharatnam-Berry Metasurface for Unidirectional Wavefront Manipulation
提出利用 YIG 磁光效应与 PB 几何相位协同的亚波长非互易超表面，实现圆偏振光高隔离及单向光束偏转与聚焦。
2024-03-03 physics.app-ph physics.optics
80-degree field-of-view transmissive metasurface-based spatial light modulator
紧凑、轻便和高性能的空间光调制器（SLM）是现代光学技术的关键。像素小型化的驱动，必要的，以提高其性能，导致了一个有前途的替代，有源光学超颖表面，使可调谐的亚波长波前操纵。在这里，我们展示了一个全固态可编程透射SLM设备的基础上惠更斯介电超颖表面。超颖表面的特征在于由成熟的液晶（LC）技术提供的电可调谐性。与传统的LC SLM相比，我们的器件能够实现高分辨率，像素尺寸为~1 μ m。我们通过实现可编程波束控制来展示其性能，其具有~6 dB的高边模抑制比。通过使用双光子聚合制造的3D打印双合微透镜来补充该设备，我们将视场增强到约80度。开发的原型为下一代增强现实显示器，光探测和测距（LiDAR）系统和光学计算的紧凑，高效和多功能设备铺平了道路。
2021-07-23 physics.app-ph physics.optics
Self-stabilizing laser sails based on optical metasurfaces
本文研究了由面密度为$<$ 1 g/m $^2$的电介质超颖表面构成的“激光帆”式航天器的稳定性。我们表明，高功率激光（100 GW）施加在超颖表面上的微观光学力可以被设计为实现被动自稳定，使其被光学捕获在驱动光束内，并对角度和横向扰动进行自校正。我们所研究的超颖表面由一系列光束控制元件组成，这些元件以不同的角度和效率反射光线。这些属性对于元表面区域中的每个元素来说都是不同的，我们使用光学力建模工具来探索具有不同散射属性的几个元表面在与具有不同强度分布的光束相互作用时的行为。最后，我们使用全波数值模拟工具来提取实际的光学力，将赋予Si/SiO $_{2}$超颖表面组成的400多个元素，我们比较这些结果，我们的分析模型。我们发现，在一阶近似下，有某些超颖表面设计可以以稳定的方式推进“激光帆”型航天器。
2019-03-21 cond-mat.mes-hall physics.optics
Hybrid Si-GST Polarization-Insensitive Dynamically Tunable Bifocal Metalens Operating at 1.55-$μ$m Wavelength
Bangladesh University of Engineering and Technology（孟加拉国工程与技术大学）；BRAC University（BRAC大学）；United International University（联合国际大学）
本研究提出了一种基于硅-GST纳米结构的全介质极化不敏感金属表面，实现1.55μm波长下的动态双焦点金属透镜，通过激光激发实现快速可逆相变。
2026-07-29 physics.optics
High-directivity multi-level beam switching with single-gate tunable metasurfaces based on graphene
本文提出一种基于石墨烯单栅调谐的介质超表面，通过逆向设计实现高定向性多级波束切换，在8 μm波长下两级切换定向性超95%、衍射效率近50%，并展示了向三级和四级切换推广的可行性。
2024-10-01 physics.comp-ph physics.optics
