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
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
Full-channel wavefront manipulation of surface waves with chirality-assisted geometric-phase metasurface
Zhejiang University of Technology（浙江工业大学）；Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学）；Aalto University（阿尔托大学）；Fudan University（复旦大学）
本研究提出手性辅助几何相超材料，实现四通道表面波前沿操控，展示表面波衍射器和超器件，同时产生聚焦束、贝塞尔束及偏转束，为高容量芯片通信提供新平台。
2026-03-11 physics.optics
Complex wavefront engineering with disorder-engineered metasurfaces
最近，复杂的波前工程与无序介质已经证明了光学操纵能力超出了传统的光学。这些功能包括扩展体积、无像差聚焦和通过倏逝模耦合的亚波长聚焦。然而，将这些能力转化为有用的应用仍然具有挑战性，因为无序介质的输入-输出特性（$P$变量）需要通过$O(P)$测量来详尽地确定。在这里，我们提出了一种范式转变，其中的障碍是专门设计的，使其确切的特性是已知的，从而在一个先验确定的传输矩阵，可以利用只有几个对齐步骤。我们实现了这一概念与无序工程的超表面，它具有额外的独特功能，复杂的波前工程，如前所未有的光学记忆效应范围，出色的稳定性，和可定制的角散射轮廓。
2017-06-27 physics.optics
Metasurface-on-Lithium-Niobate Architecture for Spin-decoupled Second Harmonic Wavefront Shaping
University of Southern Denmark（南丹麦大学）；Eastern Institute of Technology（东方理工大学）
提出一种铌酸锂上超表面架构，将二次谐波产生与波前整形分离，实现自旋解耦的光束偏转和自旋复用全息，为非线性超光学提供可扩展平台。
2026-10-05 physics.optics
Compound Metaoptics for Amplitude and Phase Control of Wavefronts
超表面允许对电磁波阵面进行定制控制。然而，由于功率流的局部守恒，无源、无损耗和无反射的超颖表面仅限于将相位不连续性而不是功率密度不连续性赋予波前。在这里，我们展示了如何使用两个紧密间隔的相位不连续超颖表面来独立控制波前的相位和功率密度分布。这两个超颖表面，每一个都被设计成表现出特定的折射特性，被波长尺度的距离分开，并且一起形成复合超颖。一个系统的设计过程，它允许任意复值场分布之间的转换，没有反射，吸收，或有源组件。这种复合超光学可以应用于粒子的光学捕获，显示三维全息图像，缩小光学系统的尺寸，或产生定制（成形和转向）的远场辐射图案。
2018-07-14 physics.optics
Wavefront Control and Intensity Modulation of Third Harmonic Generation in Nonlocal Metasurfaces
Peking University（北京大学）；Nanchang University（南昌大学）；Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）
本研究通过非局域超材料实现第三谐波生成的波前控制与强度调制，展示了高转换效率和相位调制能力。
2026-02-02 physics.optics
Bianisotropic Metasurfaces: Ultra-thin Surfaces for Complete Control of Electromagnetic Wavefronts
电磁场的完全控制需要表现出双各向异性组成参数（即介电常数，磁导率和手性）的粒子。在这里，方法来分析和合成二维，双各向异性超材料（metasurfaces）。首先，封闭形式的表达式推导出一般的双各向异性超颖表面的反射和透射系数，其组成的表面参数。其次，提出了一种设计双各向异性超颖表面的系统方法。分析表明，级联各向异性，图案化的金属片（电片导纳）可以提供电，磁和手性响应。为了证明效用的设计过程中，呈现奇异的偏振转换的设备：一个偏振旋转器，一个不对称的圆偏振器，一个不对称的线偏振器，和一个对称的圆偏振器。在厘米、毫米和微米波长下的最佳性能突出了设计过程的多功能性。
2014-04-17 physics.optics
Meta-Gratings: Beyond the Limits of Graded Metasurfaces for Wavefront Control
渐变超颖表面利用由阻抗梯度赋予的局部动量来变换撞击波前。这种方法受到整体转换效率的根本限制，并且受到最大空间分辨率的制造限制的挑战。在这里，我们介绍了元光栅的概念，它可以实现任意波前工程与单一的效率和显着降低的要求的制造精度。我们采用这个概念来设计反射超颖表面的波前转向没有限制的效率。一个类似的方法被设想用于传输光束和任意波前变换，为极端波操纵的高效超颖表面打开了有希望的机会。
2017-05-10 physics.app-ph physics.optics
Wavelength-selective nonlinear wavefront control in resonant thin-film lithium niobate metasurfaces
Tampere University（坦佩雷大学）；Aalto University（阿尔托大学）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；Université Côte d’Azur（蔚蓝海岸大学）；Colorado School of Mines（科罗拉多矿业学院）
本文通过共振工程相位控制，在薄膜铌酸锂超表面中实现了对二次谐波产生的光谱选择性整形，将1100 nm高斯泵浦光转换为550 nm一阶厄米-高斯模式。
2026-06-01 physics.optics
Nonlinear wavefront control by geometric-phase dielectric metasurfaces: Influence of mode field and rotational symmetry
非线性Pancharatnam-Berry相位超颖表面通过利用光子自旋相关的非线性几何相位来促进频率转换过程的非平凡相位调制。然而，由于等离子体纳米结构固有的高欧姆损耗和低损伤阈值，等离子体超颖表面在非线性频率转换方面显示出一些严重的限制。在这里，我们系统地研究了非线性几何相位与三次谐波产生过程中发生的全介质超颖表面，这是由不同的面内旋转对称的硅纳米鳍。我们发现，谐振基波场的不同场分量之间的波耦合引起所产生的三次谐波信号的不同的非线性几何相位的外观。我们的理论很好地解释了实验观察到的非线性光束转向和非线性全息实现的全介质几何相位超颖表面的工作。我们的工作提供了一个新的物理图片，以了解发生在纳米介质谐振器的非线性光学过程，并将有助于设计具有定制的相位特性的非线性超颖表面。
2020-04-09 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
Active Nonlocal Metasurfaces
通过光学超颖表面进行主动可调谐和可重构的波前整形提出了一个重大的技术挑战，通常需要非常规材料工程和纳米纤维。大多数波前整形元表面可以被认为是“局部的”，因为它们的操作取决于单个元单元的响应。相比之下，“非局部”元表面基于许多相邻元单元所支持的模式起作用，导致尖锐的光谱特征，但通常没有对传出波前的空间控制。最近，基于准束缚态的连续介质的非局域超颖表面被证明只能在所支持的Fano共振的窄带宽内产生设计师波前。在这里，我们利用增强的光与物质的相互作用与尖锐的法诺共振，探索主动调制的光谱和波前的折射率调谐和机械拉伸。我们的实验证明的原理热光调谐的非局部超颖表面的硅，和数值演示的非局部超颖表面的热光开关之间的不同的波前形状。这种用于热可重构波前整形的元光学平台既不需要不寻常的材料和制造，也不需要对单个元单元进行主动控制。
2020-08-20 physics.app-ph physics.optics
Multifunctional Nonlocal Metasurfaces
衍射光子器件通过局域和非局域光学模式操纵光。局部设备，如超颖表面，可以在多个选定的波长下塑造波前，但不可避免地会改变整个光谱的光;非局部设备，如光栅滤波器，提供了很好的频率选择性，但空间控制有限。在这里，我们介绍了一个合理的设计范例，使用准束缚态的连续实现多功能的非本地设备：超表面，产生窄带空间定制的波前在多个选定的波长，但在其他方面是透明的。
2020-05-25 physics.optics
Dielectric Resonator Metasurface for Dispersion Engineering
我们介绍了一个实用的微波频率的介质元表面设计。超表面由通过电介质连接保持在一起的电介质谐振器阵列制成，从而避免了对电介质平板形式的机械支撑的需要以及这种平板将产生的寄生多次反射。所提出的设计可以用于宽带超颖表面应用或单色波变换。数值和实验结果支持的概念，以操纵传输相位和振幅的超表面的能力。最后，利用所提出的概念实现了半波片和四分之一波片。
2016-05-24 physics.optics
Gradient Nonlinear Pancharatnam-Berry Metasurfaces
我们将Pancharatnam-Berry相位方法应用于由高度非线性多量子阱衬底加载的等离子体超颖表面，建立了一个基于巨局域非线性效应的随意控制非线性波前的平台。我们应用这种方法来设计平面非线性超颖表面的有效的二次谐波辐射，包括光束转向，聚焦和偏振操纵。我们的研究结果为非线性光学开辟了一个新的方向，其中相位匹配问题被放松，并且在具有巨大非线性响应的薄器件上实现了前所未有的局部波前控制水平。
2015-10-25 physics.optics
All-dielectric metasurface for wavefront control at terahertz frequencies
最近，超颖表面由于其提供空间变化的相位响应、低本征损耗和高透射率的能力而得到普及。在这里，我们展示了数值和实验上的硅超颖表面在太赫兹频率，将高斯光束转换成涡旋光束独立的入射光束的偏振。超颖表面由在诸如蓝宝石和CaF $_2$的衬底上的高折射率材料制成的亚波长硅交叉谐振器的阵列组成，所述衬底在IR-THz光谱范围内是透明的。利用这些衬底，可以产生用于特定光谱范围的相位元件，包括在10 $~μ$ m左右的分子指纹处以及在更长的THz波长处，其中可以揭示二级分子结构。该器件具有高透射率和0至$2π$的相位覆盖范围。通过改变元原子的尺寸来调节透射相位。为了演示波前工程，我们使用了一个离散的螺旋相位轮廓的入射高斯光束转换为涡旋光束。为了实现这一点，我们将元表面表面分成八个角扇区，并选择八个不同的维度作为十字，为这些扇区中的每个扇区提供间隔为$π/4$弧度的连续相移。光刻和反应离子蚀刻（RIE）被用来制造这些硅十字架的尺寸范围高达几百微米。大1厘米直径的光学元件成功地制造和光学轮廓术的特点。
2018-01-06 physics.optics
Beam Manipulation by Hybrid Plasmonic-Dielectric Metasurfaces
提出了一种混合等离子体-电介质超颖表面，以便以期望的方式操纵光束传播。该超颖表面由沉积在低折射率基底（即二氧化硅）上的图案化混合石墨烯-硅纳米盘组成。结果表明，所提出的混合超颖表面同时受益于石墨烯基超颖表面和介电超颖表面的优点。特别地，我们表明，所提出的混合超颖表面不仅提供可重构性，就像以前提出的石墨烯基超颖表面，但也类似于介电超颖表面，它是低损耗和CMOS兼容。这种特殊的特征赋予超颖表面实现高效光学部件的特殊潜力。为了证明后一点，使用所提出的混合结构作为两个众所周知的光学功能的示例来执行聚焦和异常反射。这项工作开辟了一条新的路线，在实现可重构元器件与广泛的现实世界的应用，不能实现与被动的同行。
2018-05-05 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
Metasurface-encoded optical neural network wavefront sensing for high-speed adaptive optics
CFD Research Corporation（CFD研究公司）；US Army Space and Missile Defense Command（美国陆军太空与导弹防御司令部）
本研究提出了一种基于元表面编码的混合光电子神经网络波前传感器，实现超高速、低成本的波前传感与校正，提升自由空间通信系统性能。
2026-02-18 physics.optics
Realization of spin-dependent splitting with arbitrary intensity patterns based on all-dielectric metasurfaces
报道了基于全介质超颖表面实现任意强度模式的自旋相关分裂。与等离子体超表面相比，全介质超表面具有更高的传输效率和转换效率，使得实现任意强度模式的自旋相关分裂成为可能。我们的发现为自旋光子的产生和操纵提供了一种方法，从而为开发基于自旋的纳米光子应用提供了可能性。
2015-05-10 physics.optics
Resonant response in tunable metasurface based on crossed all-dielectric gratings
我们从理论上证明了由交叉的全介质条形光栅组成的Mie谐振介质超颖表面的光谱响应的机械调谐。我们使用两个阵列的平行介质条相互叠加，以机械地改变它们之间的交叉角，从而改变在很宽的频率范围内的光谱响应的最大值的位置。在斜网格中，超颖表面结构被认为是一个双周期系统。这种机械可控的超颖表面在开发柔性偏振敏感光学器件方面具有广阔的应用前景。
2021-12-14 physics.optics
High-Efficiency All-Dielectric Metasurfaces for Ultra-Compact Beam Manipulation in Transmission Mode
超颖表面是二维光学结构，能够完全控制光的振幅、相位和偏振。与等离子体超颖表面不同，平面硅结构有利于高传输、低损耗以及与现有半导体技术的兼容性。在这里，我们报告了在电信波长的传输模式下具有全2pi相位控制的高效率偏振敏感电介质超颖表面的实验演示。这样的硅超颖表面有望实现一个多功能的光学平台，在芯片上实现全光学电路。
2015-07-25 physics.optics
Phase-change nonlocal metasurfaces for dynamic wavefront manipulation
本文提出基于Sb₂S₃相变非局域超表面和准BICs几何相位，实现非易失、可逆的动态波前调控，并展示了光束偏转、一维/二维聚焦及可调谐全息成像。
2023-09-11 physics.app-ph physics.optics
Transformation optics based on metasurfaces
最近，已经提出了新的人工材料来控制电磁波-超表面，一种二维超材料。与三维大块超材料相比，这种具有亚波长厚度的人造平面材料大大减少了制造时间并降低了制造复杂度。此外，传统的超材料通常通过在远大于波长的距离处传播来累积相位来控制电磁波的波前。然而，超表面可以仅通过亚波长传播距离有效地操纵入射电磁波的波前。因此，这可以极大地减轻传播损耗。鉴于超颖表面在近场区域对电磁波具有高操纵效率的事实，我们小组研究了使用超颖表面模拟重力的实验工作。
2019-07-11 physics.optics
Study of the Angular Spectrum of a Bianisotropic Refractive Metasurface at a Dielectric Interface
我们提出了一个双各向异性折射超颖表面的角谱在两个电介质之间的界面的初步研究。在这项研究中，我们报告了三个不同的角度区域的存在：a）~旋转的透射锥，b）~修改的全内反射区域，和c）~一个新的全逆反射区域。
2018-01-25 physics.optics
Experimental Demonstration of Phase Modulation and Motion Sensing Using Graphene-Integrated Metasurfaces
等离子体超颖表面能够通过改变光强度、相位和偏振状态来修改波前。有源等离子体超颖表面将允许波前的动态调制，这引起了有趣的应用，例如光束转向、全息图和可调谐波片。石墨烯是一种有趣的材料，具有动态特性，可以在超快的速度下通过电子门控进行控制。我们使用石墨烯集成的超颖表面来诱导波前的可调相位变化。超颖表面支持Fano共振，可产生约7.7微米的高质量共振。使用Michleson干涉测量装置测量相位变化。结果表明，反射相位可以改变高达55度。特别地，相位可以改变28度，而幅度几乎恒定。超颖表面的各向异性光学响应用于响应于45度的入射场来调制反射波的椭圆率。我们展示了我们的系统在亚微米精度的潜在超快激光干涉测量中的概念应用的证明。
2015-10-22 physics.optics
Extension of Babinet's relations to reflective metasurfaces: Application to the simultaneous control of wavefront and polarization
本文将巴比涅关系从透射型超表面扩展到含反射镜的反射型超表面，通过自互补结构实现太赫兹半波片，并演示高效率反常反射与偏振转换的同时控制。
2024-08-19 physics.app-ph physics.optics
All-dielectric resonant metasurfaces with a strong toroidal response
我们演示了如何创建一个强大的环形响应的全电介质超颖表面通过安排两种类型的纳米盘成不对称的四聚体集群。我们表明，一个强大的轴向超颖表面的环形响应有关的条件下，被困（暗）模式，激发由于在集群中的对称性破缺。我们研究了超颖表面和纳米团簇几何形状中的环形响应和不对称性之间的相关性，这些不对称性出现在不同直径的纳米盘或引入纳米盘的凹口中。
2018-01-22 physics.optics
Asymmetric parametric generation of images with nonlinear dielectric metasurfaces
组装到超颖表面中的亚波长介质谐振器已经成为接近纳米级的光学元件的多功能工具。一类重要的超颖表面功能与光的产生和传输中相对于发射器和接收器的位置的反转的不对称性相关联。超颖表面中的非线性光-物质相互作用为光的非对称控制提供了一条有前途的途径。在这里，我们展示了非线性超颖表面中光的非对称参数产生。我们将不同的非线性介质谐振器组装成半透明的超表面，这些超表面在可见光谱范围内产生图像，并被红外辐射照射。通过设计，对于相反的照射方向，即当红外发射器和可见光接收器的位置交换时，超表面产生不同的且完全独立的图像。通过亚波长谐振器实现的光的非线性非对称控制通过将大量非线性谐振器密集集成到紧凑的超表面设计中为新型纳米光子组件铺平了道路。
2022-12-21 physics.optics
High efficiency dielectric metasurfaces at visible wavelengths
超表面是平面光学元件，有望克服折射和传统衍射光学的局限性1 -3。由于可见光波长处显著的光吸收和损耗，因此迄今4 -10证明的介电超颖表面限于红外波长处的透明窗口。至关重要的是，开发用于可见波长的电介质超颖表面的新材料和制造技术，以实现诸如三维显示器、可穿戴光学器件和平面光学系统等应用11。在这里，我们展示了高性能二氧化钛介电超颖表面，其形式为红色，绿色和蓝色波长的全息图，具有创纪录的绝对效率（>78%）。我们使用原子层沉积的非晶二氧化钛，具有0.738 nm的低表面粗糙度和理想的光学性能。为了制造超颖表面，我们使用类似剥离的工艺，使我们能够生产具有形状双折射的高度各向异性的纳米鳍。该工艺适用于任何光学元件，并且可以使用广泛的材料来实现。
2016-03-08 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
Active tuning of high-Q dielectric metasurfaces
我们展示了具有高品质因数（高Q）谐振的全介质超颖表面的主动调谐。通过用液晶嵌入不对称硅元原子来提供主动控制，这允许通过加热来控制相对折射率。发现高品质因数共振（$Q=270\pm30$）可以在三个以上的共振宽度上调谐。我们的研究结果证明了利用全介质超颖表面来构造可调谐窄带滤波器的可行性。
2017-05-17 physics.optics
Single-Order Transmission Diffraction Gratings based on Dispersion Engineered All-dielectric Metasurfaces
提出了一种基于色散工程全介质超颖表面的单级透射衍射光栅，并对其波长鉴别特性进行了理论分析和数值模拟。超表面的设计使用的全介质谐振器，它模仿惠更斯源配置，以实现一个完美的匹配，以自由空间在宽带宽的2D阵列。使用多孔介电纳米盘结构作为单位单元，谐振波长在超颖表面上逐渐变细，以设计波长相关的空间相位梯度，以模拟色散棱镜。因此，不同的波长被转向不同的方向，从而在输出图像平面上被区分。由于所涉及的亚波长周期性，与传统的衍射光栅不同，直接在器件的第零衍射级中实现波长鉴别，从而提供了高效的波长鉴别器件。
2016-04-22 physics.optics
High quality factor metasurfaces for two-dimensional wavefront manipulation
光与微米和纳米结构的强相互作用在光学传感、非线性光学、有源光学器件和量子光学中起着关键作用。然而，对于波前整形，在亚波长尺度上对光的所需局部控制限制了这种相互作用，通常导致低品质因数的光学器件。在这里，我们展示了一种途径，高品质因数波前整形在两个空间维度的基础上，通过利用高阶米氏共振的全介质惠更斯超颖表面。我们设计并实验实现了透射式带阻滤波器、光束偏转器和径向透镜，在近红外波段测量的品质因数在202-1475的范围内。激发的光学模式和产生的波前控制都是局部的，允许有限孔径和倾斜照明的通用操作。我们的研究结果代表了近两个数量级的改进品质因数比以前的本地化模式的设计，并提供了一类新的紧凑型光学器件的设计方法。
2022-12-12 physics.app-ph physics.optics
Electrically Tunable Reflective Metasurfaces with Continuous and Full Phase Modulation for High-efficiency Wavefront Control at Visible Frequencies
全介质光学超颖表面可以在纳米尺度上局部控制光的振幅和相位，从而实现任意波前整形。然而，缺乏制造后的可调性限制了超颖表面在许多应用中的真正潜力。在这里，我们利用薄的液晶（LC）层作为可调谐介质周围的超颖表面，以实现在可见光频率的高反射的相位空间光调制器（SLM），表现出与相关的2pi相位控制和非耦合振幅的主动和连续的谐振调谐。动态波前整形是通过编程96个可单独寻址的电极与一个小的像素间距为1微米。通过减小的LC厚度来促进小像素尺寸，从而强烈抑制像素之间的串扰。该器件用于演示具有宽视场和高绝对衍射效率的动态光束转向。我们相信，我们的演示可以为实现下一代高分辨率SLM铺平道路，在动态全息，可调光学和光探测和测距（LiDAR）等方面具有广泛的应用。
2023-03-24 physics.app-ph physics.optics
Single-Shot Phase Diversity Wavefront Sensing in Deep Turbulence via Metasurface Optics
CFD Research Corporation（CFD研究公司）；US Army Space and Missile Defense Command（美国陆军太空与导弹防御司令部）
提出基于纳米结构双折射超表面的单次相位差分校正波前传感方法，以紧凑低延迟装置在强湍流下实现平均16倍信号增强。
2024-10-24 cs.CV physics.optics
High quality factor silicon-on-lithium niobate metasurfaces for electro-optically reconfigurable wavefront shaping
动态可重构的超表面为许多应用提供了紧凑和轻量级的空间光调制，包括LiDAR，AR/VR和LiFi系统。在这里，我们设计和计算研究高品质因数硅锂超颖表面与电驱动，独立控制其组成纳米棒的全相位可调谐性与高调谐效率。自由空间光通过周期性扰动耦合到每个纳米棒内的导模，产生超过30，000的品质因数，同时保持棒间距< $λ$ /1.5。我们实现了近2 $π$相位变化与施加的偏置不超过$\pm$ 25 V，保持反射效率高于91%。使用全场模拟，我们展示了一个高角度，51°，可切换的分束器，衍射效率为93%，和一个角度可调的光束转向器，跨越18-31°，效率高达86%，所有使用相同的元表面设备。我们的平台为高效波前整形设备提供了基础，该设备具有宽的动态调谐范围，能够产生几乎任何传递函数。
2022-03-24 physics.app-ph physics.optics
Spin photonics and spin-photonic devices with dielectric metasurfaces
具有空间变化的双折射和高传输效率的电介质超颖表面可以表现出控制光子自旋态的特殊能力。本文介绍了我们在超表面自旋光子学和自旋光子器件方面的一些工作。我们发展了一个混合阶庞加莱球来描述超颖表面中波传播的自旋态的演化。证明了混合阶庞加莱球上的Berry曲率和Pancharatnam-Berry相位都与总角动量的变化成正比。基于Pancharatnam-Berry相位的自旋相关性质，我们发现当超颖表面的旋转对称性破缺时，可以观察到光子自旋霍尔效应。此外，我们表明，介电超颖表面可以提供很大的灵活性，在设计新的自旋光子器件，如自旋过滤器和自旋相关的分束器。
2015-07-16 physics.optics
Loss-induced performance limits of all-dielectric metasurfaces for terahertz sensing
由于存在以高品质因数为特征的强共振，已经提出了提供由连续体中的准束缚态产生的共振的超表面作为THz频带中的传感器。通过控制几何参数，品质因数可以任意调整，理论上可以任意设计。然而，材料的损失严重地限制了超颖表面性能并限制了谐振的品质因数。出于这个原因，已经提出了全电介质超颖表面作为金属-电介质结构的替代方案，以减少损耗并实现极端功能。当由低损耗材料实现时，这些结构通常被认为是无损的，并被提议作为THz波段的超灵敏传感器。在本文中，我们研究了考虑实际材料的全介质超颖表面的损耗的影响，并研究了品质因数的限制。此外，我们比较了这些结构作为传感器与纳米结构支持非凡的光传输的性能。我们的研究结果表明，即使在低损耗材料中，材料损耗也严重限制了全介质超颖表面的传感性能，并且它们的性能可以被支持非凡光传输的结构所超越。
2023-01-05 physics.optics
Multimode directionality in all-dielectric metasurfaces
我们表明，光谱多样的多磁偶极子共振可以激发在全电介质结构缺乏旋转对称性，与传统使用的球体，磁盘或球体。这种多重磁共振产生于混合Mie-Fabry-Pérot模式，并且可以建设性地干扰感应电偶极矩，从而导致新颖的多频率单向散射。在这里，我们专注于细长的介电纳米棒，其磁共振可以通过其纵横比进行光谱调谐。基于我们的理论结果，我们提出了全介质多模超颖表面，并在原理验证微波实验中验证它们。我们还认为，所展示的多模方向性的特性在很大程度上是最近被证明在多个电信频段上工作的全电介质超颖表面的最佳效率的原因。
2017-03-24 physics.optics
Electrically Tunable Multifunctional All-Dielectric Metasurfaces Integrated with Liquid Crystals in the Visible
作为二维超材料，超表面为静态平面光学的设计开辟了新的途径。然而，实际应用需要光学波段中的超颖表面的动态调制。现有的动态器件很少利用超表面的偏振操纵能力。在这里，我们展示了一个电可调的多功能超颖表面在可见光范围内，通过集成双折射液晶（LC）与全介电超颖表面的基础上一种新的封装方案。通过结合超颖表面的螺旋度相关的几何相位和液晶分子的偏振控制能力，实现了两个螺旋度通道的连续强度调谐和切换。电调谐单通道可切换的元全息图，多路复用的元全息图，和动态变焦超透镜的设计来验证的概念。动态调谐中偏振控制的探索可以为各种应用中的动态超颖表面器件铺平道路，例如空间光调制器、光检测和测距系统以及全息显示器。
2020-12-25 physics.optics
Unidirectional guided-wave-driven metasurfaces for arbitrary wavefront control
提出由单向导波驱动、依托其色散而非谐振超原子的新型超表面，实现任意波前控制、亚衍射聚焦与片上宽带集成。
2023-09-30 physics.app-ph physics.optics
Nonlinear and Ultrafast All-Dielectric Metasurfaces at the Center for Integrated Nanotechnologies
超表面通过在表面上布置的纳米级谐振器阵列来控制光学波前。当与具有强光学非线性的III-V族半导体结合时，可以在纳米尺度上实现和增强各种非线性效应，例如谐波产生和全光调制。这篇综述介绍了我们在集成纳米技术中心（CINT）制造的超快和非线性半导体超颖表面中的工程和增强非线性效应的研究。我们涵盖了我们最近的工作，通过直接和级联过程中的GaAs超颖表面使用米氏光学共振或连续介质保护的束缚态的参数产生谐波光，然后描述了最近的进展，谐波产生耦合到III-V族半导体异质结的子带间跃迁的全介质超颖表面。该评论的结论是超颖表面作为芯片上量子光产生的下一个平台的潜力。
2022-05-26 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
Controlling high-Q trapped modes in polarization-insensitive all-dielectric metasurfaces
我们揭示了在偏振不敏感的全介质超颖表面，其单位超细胞是由特别安排四个圆柱形的电介质粒子的陷阱（暗）模式激发的特点。利用群论描述，我们详细讨论了超原胞中粒子的不同取向对俘获模特性的影响。数值模拟和实验研究证实了理论预测。由于超颖表面是由简单的电介质颗粒实现的，而不使用任何金属成分，因此它们可以可行地扩展到微米和纳米尺寸的结构，并且它们可以用于平面光学平台，用于实现多个热点光定位、光学传感和高效光捕获的有效光-物质相互作用。
2018-11-28 physics.optics
Nonlocal metasurfaces for spectrally decoupled wavefront manipulation and eye tracking
Geballe Laboratory for Advanced Materials, Stanford University（斯坦福大学格巴尔先进材料实验室）
基于超表面的光学元件通常通过用散射纳米结构的密集阵列赋予振幅和相位的空间变化来操纵光波。纳米结构的高度局域化和低光学品质因数（Q）模式对于波前整形是有益的，因为它们提供对电磁场的准局域控制。然而，许多新兴的成像、传感、通信、显示和非线性光学应用反而需要平坦的高Q光学元件，其提供显著的能量存储和对波前的高得多的光谱控制程度。在这里，我们展示了高Q，非局部超颖表面与原子薄的超颖表面元素，提供显着增强的光-物质相互作用和完全解耦的光学功能，在不同的波长。我们说明了一种可能的使用这种平面光学在眼睛跟踪的眼镜。在这里，在一副普通眼镜上图案化的超表面提供了在可见光谱上的世界的不受干扰的视图，并将近红外线重定向到相机以允许眼睛成像。
2021-02-11 cs.LG eess.IV physics.optics
Extremely Thin Dielectric Metasurface for Carpet Cloaking
我们展示了一种新的和简单的方法来掩盖一个散射在地平面上。我们使用一个非常薄的介质超颖表面（λ/12）来重塑由散射体扭曲的波前，以模仿平坦地平面的反射图案。为了实现这种地毯式隐身，反射角必须等于散射体上各处的入射角。我们使用渐变超颖表面，并计算所需的相位梯度来实现隐身。我们的超颖表面局部地提供额外的相位波前，以补偿由几何失真引起的光路之间的相位差。我们设计我们的元表面在微波范围内使用高度亚波长介质谐振器。我们验证了我们的设计，全波时域模拟使用微结构谐振器，并表明结果匹配理论非常好。这种方法不仅可以应用于隐藏地平面上的任何散射体在微波频率下，而且还可以应用于更高频率直到近红外。
2015-03-29 physics.optics
Possibility of anapole state in dielectric nanohole array metasurfaces with different hole shapes
纳米结构中的光学反射极共振显示出强的场约束和基本上被抑制的散射。在这项研究中，使用三维时域有限差分模拟，它表明，高折射率介电纳米孔阵列超颖表面具有不同的孔的轮廓可以拥有的anapole状态。给出了包含偶极子电环矩的阵列格元多极分解。在晶格元素的anapole状态说明的时间平均的能量分布。因此，可以设计具有Anapole状态的高折射率独立超颖表面。
2023-01-13 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
Inverse designed full-Stokes polarimetric metasurface with simultaneous wavefront sensing for visible light
Brno University of Technology（布尔诺理工大学）；Meopta s.r.o.（梅奥塔有限公司）
本文提出一种反向设计的全斯托克斯极化表面，实现可见光波前传感与极化状态的同时测量，通过优化纳米结构几何和旋转，提升系统效率和精度。
2026-04-20 physics.app-ph physics.optics
Resonant Asymmetric All-Dielectric Metasurface for Boosting Third-Harmonic Generation
共振超颖表面由于其鲜明的光谱特征和显著的场增强效应而受到广泛的关注。在这项工作中，通过打破硅纳米柱的面内对称性，我们实现了尖锐的法诺共振。计算分析了超颖表面的远场辐射和近场分布，进一步揭示了超颖表面的谐振特性。此外，理论推导和模拟表现出反二次依赖的Q-因子的非对称性参数，揭示了共振是由在连续介质中的受保护的束缚态。最后，我们在实验上验证了这种尖锐共振，并利用它有效地提高了三次谐波的产生。这种增强可以归因于超颖表面内部的强光学强度增强。
2020-04-03 physics.optics
Generalized Spatial Talbot Effect based on All-dielectric Metasurfaces
提出了一种广义空间Talbot效应，其中输入孔径的周期由非整数实值缩放，而不是传统Talbot效应中的仅整数因子。这是通过允许和工程的相位不连续性分布在空间中使用超表面，结合自由空间传播。由此，这种突然的相位不连续的引入使得能够实现孔径周期性的非整数缩放。提出了使用惠更斯超颖表面的具体实施方案，并使用基于傅立叶传播的数值结果证明了其实现输入孔径周期的非整数缩放的操作。
2016-05-11 physics.optics
Large Area Electrically Tunable Lenses Based on Metasurfaces and Dielectric Elastomer Actuators
可调谐光学器件，特别是变焦透镜，在包括成像和自适应视觉的各种领域中具有重要的应用。超颖表面的最新进展，使用亚波长间隔的纳米结构控制光的波前，开辟了新的机会，以取代大块光学器件，薄，平，重量轻的设备。我们已经首次展示了一种电可调谐平面透镜，其基于与具有内联透明电极的介电弹性体致动器组合的大面积超颖表面，其能够同时执行焦距调谐（>100%）以及动态校正，包括像散和图像偏移。这为迄今为止仅在电子显微镜中可能的平面光学器件提供了控制通用性。我们所描述的水基转移过程也使材料之间具有广泛的兼容性。超颖表面光学器件和介电弹性体致动器的组合通过可调谐相位、振幅和偏振分布的设计实现了用于创建各种可调谐光学器件的新的多功能平台。
2017-08-07 physics.optics
