Inverse design of dielectric metasurface by spatial coupled mode theory
针对基于导模传播的介电超构表面建模难题，提出空间耦合模理论（SCMT）将其视为截断波导阵列进行整体建模，并设计了逆向设计流程，在高数值孔径透镜等任务上优于局部周期近似（LPA）。
2023-04-02 physics.app-ph physics.optics
Optical Kerr nonlinearity of dielectric nanohole array metasurfaces with different hole shapes near the anapole state
本研究通过三维时域有限差分模拟，验证不同孔形高折射率介电纳米孔阵列超构表面的anapole态存在性，探究其近anapole态的光学克尔非线性，发现方形孔最优且非线性系数可比无结构薄膜高三个数量级。
2023-12-18 physics.app-ph physics.optics
Neural-adjoint method for the inverse design of all-dielectric metasurfaces
全电介质超颖表面表现出奇异的电磁响应，类似于金属基超颖材料。目前，全电介质超颖表面的研究使用相对简单的单胞设计，但几何复杂性的增加可能会产生更大的散射状态。尽管机器学习最近已被应用于元表面的设计，并取得了令人印象深刻的结果，但寻找产生所需光谱的几何形状这一更具挑战性的任务在很大程度上仍未解决。我们探索并调整了最近的深度学习方法-称为神经伴随-并发现它能够准确有效地估计产生目标频率相关散射所需的复杂几何形状。我们还展示了神经伴随方法如何智能地增长设计搜索空间，包括越来越多的设计，准确地近似所需的散射响应。神经伴随方法不限于所展示的情况，并且可以应用于等离子体激元、光子带隙和其他结构材料系统。
2020-12-09 physics.app-ph physics.optics
Fabry-Pérot Cavity Formed with Dielectric Metasurfaces in a Hollow-Core Fiber
我们展示了一个光纤集成的法布里-珀罗腔形成的附加一对电介质超颖表面的空心光子晶体光纤段的两端。超表面由设计为光子晶体板的穿孔膜组成，光子晶体板充当平面镜，但可能允许气体通过其孔注入光纤的中空芯。到目前为止，我们已经观察到的腔体的精细度为~11和Q因子为~ $4.5 \times 10^5$，但更高的值应该可以实现与改进的制造过程。我们期望该装置能够开发新的光纤激光器，增强气体光谱，并研究基本的光-物质相互作用和非线性光学。
2018-02-07 physics.app-ph physics.optics
Mirror-backed dielectric metasurface sensor with ultrahigh figure of merit based on super-narrow Rayleigh anomaly
具有大的局部场增强的等离子体纳米结构已经被广泛研究用于传感应用。然而，由于相对高的欧姆损耗，品质因数以及因此感测品质因数受到限制。在这里，我们提出了一种新的等离子体传感器的基础上超窄瑞利异常（RA）的反射镜背介电超颖表面的质量因数。模拟结果表明，在这样的超颖表面的RA可以有一个超高的品质因数的16000在可见光区，这是一个数量级大于最高值的等离子体纳米结构。我们将这种惊人的性能归因于远离金属膜的增强的电场。超高的品质因数和限制在覆盖区的极大增强的场使得反射镜背衬的电介质超颖表面成为用于感测的理想平台。我们表明，这种基于RA的元表面传感器的品质因数可以高达15930/RIU。此外，我们揭示了基于RA的等离子体传感器具有一些典型的特征，为结构设计提供指导。我们希望这项工作能够推动高性能等离子体超颖表面传感器的发展。
2021-11-27 physics.app-ph physics.optics
All-dielectric hybrid VIS-NIR dual-function metasurface
本文提出一种全介质混合可见光-近红外超表面，通过结合非周期分布式布拉格反射器与介质元标记，实现940纳米光定向反射及450-750纳米可见光透射的双重功能，并实验验证了20度视场内的异常反射。
2023-10-13 physics.app-ph physics.optics
Multistate Tuning of Third Harmonic Generation in Fano-Resonant Hybrid Dielectric Metasurfaces
混合介质超颖表面已经成为一种有前途的方法，以提高近场约束，从而实现高的光学非线性使用低损耗的晶体管。混合超颖表面的设计和制造的额外灵活性允许动态控制光，这对于更广泛的应用是增值的。在这里，我们展示了一个可调谐的和有效的三次谐波产生（THG）通过混合超颖表面与相变材料Ge 2Sb 2 Te 5（GST）沉积在非晶硅纳米结构的顶部。Fano共振被激发以将入射光限制在混合超颖表面内，并且在1210 nm左右的基本泵浦波长处实现了125的实验品质因数（$Q$ -因子）。我们证明了Fano共振在GST的非晶态和在其晶态的关断状态的开启状态之间的切换，以及在其中间态的THG发射的逐步多状态调谐。由于Fano共振增强了场约束，在相同泵浦功率下，实现了$η = 2.9*10^{-6}$ %的三倍频转换效率，是基于GST的法布里-珀罗腔的32倍以上.我们的研究结果显示了基于GST的混合介电超颖表面作为高效和可调谐非线性光学器件的强大潜力。
2021-05-10 physics.app-ph physics.optics
Optical Kerr nonlinearity of disordered all-dielectric resonant high index metasurfaces with negative refraction
首次估计了负折射材料的光学克尔效应。这是通过三维时域有限差分（FDTD）模拟的无序双分散超颖表面组成的高折射率（GaP）球在532 nm的波长。超颖表面包括随机布置在平面上的球形颗粒，其具有接近磁和电偶极子Mie共振的两个尺寸。超颖表面的有效非线性折射率的实部是在超颖表面具有负折射率的Mie共振附近计算的。在负折射条件下，光学克尔非线性有一个峰值。通过浓度跃迁到负折射态，研究了双分散超颖表面的折射率随强度的变化。结果表明，当有效线性折射率接近零时，单层超颖表面的非线性克尔系数有最大值。
2020-03-18 physics.app-ph physics.optics
Wide-Angle Reflection Suppression of Dielectric Slabs Using Nonlocal Metasurface Coatings
本文研究了两侧涂有非局域响应超表面的任意厚度介质平板的平面波透射，发现非局域性在光学厚平板的宽角反射抑制中起关键作用，并通过互连开口环谐振器实验验证了该涂层能显著增强透射并抑制反射。
2025-07-16 physics.app-ph physics.optics
All-Dielectric Photo-thermo-optical Metasurfaces for Thermal Landscaping at the Nanoscale
本文提出一种基于热光非晶硅纳米谐振器的全介质超表面逆向热设计框架，通过预计算吸收光谱库实现纳米尺度温度场调控，并预测光热催化反应速率提升超30%。
2025-10-17 physics.app-ph physics.optics
All-dielectric metasurfaces with trapped modes: group-theoretical description
被认为是一个全电介质超颖表面的陷波模式激发的谐振条件。它由亚波长粒子的晶格组成，所述亚波长粒子由以盘的形式结构化的高折射率介电材料制成。晶格内的每个粒子表现为支持一组电和磁（米氏型）模式的单个介电谐振器。为了进入陷波模式（谐振器的TE 01模式），在圆盘中形成圆形偏心穿透孔。在晶格中，圆盘排列成由四个粒子组成的簇（单位超晶胞）。超晶胞中的不同取向的孔对应于不同的对称群，从而在被垂直入射的线偏振波照射时产生整个超颖表面的不同电磁响应。我们进行了系统的分析的电磁响应的metasurface以及条件的陷波模激发涉及群论描述，表示理论和微波电路理论。极化敏感和极化不敏感的粒子和条件的动态铁磁和反铁磁秩序的安排。最后，我们在微波实验中观察到了陷阱模的表现。
2018-12-27 physics.app-ph physics.optics
Holographic lasing with dielectric metasurfaces
针对现有发光超表面在自发辐射机制下相干性低、光控制精度有限的问题，本文提出集成增益介质的二元结构超表面系统，实现全息激光输出的相干光产生与精确光束整形，为小型化光学系统提供紧凑、高性能的激光生成平台。
2025-09-24 physics.app-ph physics.optics
MEMS-tunable dielectric metasurface lens
传统上通过改变多个光学元件之间的轴向距离来实现的变焦透镜在成像和光束扫描中具有广泛的应用。使用传统的大体积折射元件使得这些变焦透镜大、慢，并且限制了它们的可调谐性。超颖表面是一种新型的光刻衍射器件，能够实现具有精确设计的相位分布的薄而轻的光学元件。在这里，我们展示了基于微机电系统（MEMS）的可调超颖表面双峰，在一个超颖表面的1 μ m移动时，光功率的变化超过60屈光度（约4%），并且扫描频率可能达到几kHz。它们还可以与第三超颖表面集成，以制造具有大校正视场（~500 μ m或40度）和快速轴向扫描的紧凑型显微镜（~1 mm厚），用于3D成像。这为MEMS集成超颖表面作为可调和可重构光学平台铺平了道路。
2018-03-08 physics.app-ph physics.optics
Homogeneous enhancement of electric near-field in all-dielectric metasurfaces composed of cluster-based unit cells
为了构建一个电介质模拟的spaser，我们研究了理论和实验上的几种配置的集群为基础的单位细胞的全介质超颖表面的特征在于共振条件的陷阱模式激发。被困模式的激发是通过在集群中的粒子的特定位移，或通过偏心圆孔或同轴扇区切口的等距间隔的粒子的扰动来实现的。结果表明，后者的方法是更有利于增强的电场近场与均匀分布的平面内的结构和它的强本地化以外的高折射率的介质颗粒。这一特点打开了前景，实现高度理想的亚波长平坦激光结构的基础上，与物质表现出明显的非线性特性和增益介质的属性的强近场相互作用。
2019-09-20 physics.app-ph 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
Design, fabrication, and spectral characterization of temperature-dependent liquid crystal-based metamaterial to tune dielectric metasurface resonances
可调谐介电亚表面纳米结构在光学应用中提供了令人难以置信的性能，这是由于其非凡的偏振可调谐性和在红外范围内以低损耗设计光的光的色散。在这篇文章中，我们设计和实验测量的全介质亚波长硅纳米粒子的可调谐性的帮助下，基于温度的折射率的液晶在电信制度。用数值软件模拟了由高介电纳米盘包围的双液晶（NLC）结构，用预取向材料组装，并通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱进行了光学测量。模拟结果与实际测量结果相一致，表明该调谐器达到了30nm的可调谐性。利用各向异性的温度依赖性非线性电容器，以不同的速率对高介电纳米盘的电和磁共振模式进行剪裁。各向异性到各向同性液晶液晶的相位切换实现了全介电超颖表面的两种模式的光谱调谐，并且修改了超颖材料结构的光学响应的对称性。
2022-01-17 physics.app-ph physics.optics
Tunable bilayer dielectric metasurface via stacking magnetic mirrors
功能可调性、环境适应性和易于制造是超颖表面中高度期望的特性。在这里，我们提供了一个由两个堆叠的相同电介质磁镜组成的可调双层超表面，它们由主导电偶极和其他磁多极激发，在界面附近表现出非局部电场增强和高反射。与通过两种不同功能的结构直接叠加实现的可调谐性不同，我们通过控制两个磁镜界面附近的层间耦合实现了高反射和高透射的可逆转换。当层间距较小时，磁镜效应增强了层间耦合。减小双层超颖表面的层间距导致更强的层间耦合和超原子的散射抑制，这导致高透射率。相反，增加间距导致层间耦合减弱和散射增强，从而导致高反射。双层超颖表面的高透射率具有良好的鲁棒性，这是由于具有层间耦合的元原子可以保持对相邻元原子运动和无序位置扰动的散射抑制。该工作为设计可调谐超颖表面提供了一种简单的方法（即堆叠磁镜），为高性能光开关在通信和传感领域的应用提供了新的思路。
2022-03-18 physics.app-ph physics.optics
Dielectric cross-shaped resonator based metasurface for vortex beam generation in Mid-IR and THz wavelengths
超表面是包括亚波长间隔和亚波长尺寸的谐振器的二维（2D）阵列的工程化薄表面。超表面可以局部地操纵光的振幅、相位和偏振，具有高空间分辨率。在这项研究中，我们报告了专门为红外（IR）和太赫兹（THz）波长制造的涡旋光束生成超颖表面的数值和实验结果。所设计的超颖表面由具有空间变化长度的介电十字形谐振器的2D阵列组成，从而向入射光提供期望的空间变化相移。超颖表面被发现是不敏感的入射光的偏振。使用严格的时域有限差分（FDTD）分析计算的交叉谐振器的尺寸。利用两个工作在8.8~$μ$ m（IR）和0.78~THz（THz）的涡旋产生光学元件，通过对元谐振腔进行物理定标，实现了光谱可伸缩性。使用配备焦平面阵列（FPA）探测器的FTIR成像显微镜对在中红外光谱范围内产生的涡旋光束进行成像。该设计可用于有效的波前整形以及中红外光谱范围内的各种光学成像应用，其中需要偏振不敏感性。
2019-06-25 physics.app-ph physics.optics
Resonant chiral effects in nonlinear dielectric metasurfaces
我们研究了非对称硅超颖表面中线性和非线性手光学效应的共振增强，该超颖表面支持多极Mie共振和连续准束缚态（准BIC）。我们从理论上证明并在实验中观察到明显的线性圆二色性在准BIC共振。我们进一步发现对于Mie共振和某些准BIC模式，局域场增强和三次谐波信号都很大。我们解释的选择性的非线性增强采用临界耦合的概念是更有利的模式与适度大的辐射品质因数（$Q$因素）。实验结果表明，对于不同不对称性的样品，其非线性旋光响应随三次谐波产生效率的提高而增强，非线性圆二色性从$+0.918\pm0.049$变化到$-0.771\pm0.004$.我们相信我们的研究结果提出了一个一般的策略，工程非线性手征光学响应介质谐振超颖表面。
2022-11-09 physics.app-ph 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
Symmetry analysis of trimer-based all-dielectric metasurfaces with toroidal dipole modes
在此，我们讨论了由三聚体或双-三聚体团簇组成的全电介质超颖表面中，受保护的环形偶极模的激发条件。由于在具有高品质因数的谐振系统中空间受限的光，这种超颖表面允许增强的光-物质相互作用。为了描述团簇中存在的环形模的特性，我们使用了磁偶极矩近似、群论方法、群表示理论、自适应线性组合方法和电路理论。为了验证所得到的理论结果，我们完成了全波数值模拟和微波实验。特别是，我们已经表明，环形偶极模式出现作为一个准暗态的三聚体。它可以在超颖表面中被线性偏振波的场激发，只要三聚体的对称性被适当地降低。在超颖表面中，环形偶极模式的性质主要由单个三聚体的参数确定，而不是阵列的周期性的结果。双-三聚体中的环形偶极模的耦合可以以成键和反键的方式出现，从而导致不同阶的净环形偶极矩。由于这些模式的独特的场配置，所提出的超颖表面可以被认为是一个有效的光-物质相互作用的平台，用于增强吸收，非线性开关和传感。
2020-09-27 physics.app-ph physics.optics
MEMS-tunable dielectric metasurface lens using thin-film PZT for large displacements at low voltages
可调谐聚焦是广泛范围的光学成像和感测技术中的期望特性，但是倾向于需要不能集成在芯片上并且具有缓慢致动速度的庞大组件。最近，将超颖表面集成到静电MEMS架构中已经显示出克服这些挑战的潜力，但是在需要大电压的同时提供了有限的平面外位移范围。我们首次展示了一种由集成薄膜PZT MEMS驱动的可移动超表面透镜，它具有在低电压下提供大位移的优点。在23V的电压施加下，证明了超颖表面在7.2 μ m范围内的平面外位移。这大约是现有技术的超表面的平面外静电致动的电压的四分之一处的位移的两倍。利用这种可调谐性，我们证明了一个变焦透镜双在波长1.55 μ m的焦移的顺序为250 μ m。薄膜PZT MEMS超表面是一种很有前途的小型化变焦组件的平台。
2021-12-19 physics.app-ph physics.optics
Terahertz sensing of 7nm dielectric film with bound states in the continuum metasurfaces
几种材料在太赫兹电磁辐射下的指纹光谱响应表明，太赫兹技术是一种有效的传感应用工具。然而，用更长的太赫兹波（1 THz = 0.3 mm）感测几纳米薄膜的纳米级薄膜是具有挑战性的。在这里，我们展示了一个准束缚态的连续（BIC）共振感测纳米级薄分析物沉积在一个灵活的超颖表面。大的灵敏度源于准BIC Fano共振态的强局部场限制和低折射率环烯烃共聚物基底的极低吸收损耗。在超颖表面上感测7 nm的最小厚度的锗薄膜，其对应于λ/43000的深亚波长长度尺度，其中λ是谐振波长。准BIC微结构超材料传感器的低损耗、柔性和较大的机械强度可以成为开发超灵敏可穿戴太赫兹传感器的理想平台。
2019-08-10 physics.app-ph 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
Enhanced second harmonic generation in high-$Q$ all-dielectric metasurfaces with backward frequency conversion
本文利用全介质超表面中的高-Q quasi-BIC共振研究AlGaAs二次谐波产生，通过引入基波场非线性极化修正项建立耗尽模型，揭示了后向频率转换使SHG效率降低14.3%，为设计高效非线性超表面提供重要指导。
2024-06-12 physics.app-ph 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
Corner cutting connects chiral colorimetry to net electric flux in lossless all-dielectric metasurfaces
本文数值研究全介质超表面中纳米颗粒切角形状对圆偏振光比色响应的影响，提出L形结构实现远场二色性，并揭示其与近场净电通量解耦的关联，为手性光传感器提供设计指南。
2024-11-08 physics.app-ph 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
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
Laser-Induced Spatially-Selective Tailoring of High-Index Dielectric Metasurfaces
具有米氏型电和磁谐振的光学谐振高折射率介电超颖表面通常通过平面技术来制造，这限制了所制造系统的可调谐性和可扩展性的自由度。因此，我们提出了一种基于超短（$\leq$ 10 ps）激光脉冲的互补后处理技术。该过程涉及热效应：结晶和重塑，而热量通过聚焦激光束的高精度定位来定位。此外，第一次利用介电超颖表面元件的谐振行为来设计特定的吸收分布，这导致空间选择性加热和定制的修改。这种技术具有降低基于非均匀超颖表面的光学元件的制造的复杂性的潜力。两个不同的情况下，一个大规模的元表面的空间像素化和高度修改的元表面元素，明确证明。
2019-10-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph 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
Magnetic dipole ordering in resonant dielectric metasurfaces
光学频率的人工磁性可以在由亚波长元素（也称为“元原子”）的周期性阵列组成的超材料中实现。光感生磁矩可以布置成自然地与铁磁（FM）序相关联的非交错结构或对应地链接到反铁磁（AFM）序的交错结构。在这里，我们证明，这种磁偶极子的元原子的晶格顺序可以出现在低对称性米氏共振超颖表面，其中每个不对称的介电（非磁性）元原子支持本地化的陷阱模式。我们发现，这些全介电共振超颖表面不仅具有很强的光磁响应，但他们也表现出显着的偏振旋转的传播电磁波在FM和AFM共振。我们通过直接测量全电介质超颖表面中激发的不同模式的光谱特性，并在微波频率下绘制电磁场的近场图案，证实了这些发现。
2020-03-19 physics.app-ph physics.class-ph 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
Color filter arrays based on dielectric metasurface elements
在过去的几十年里，数字成像技术一直在稳步发展，我们正在朝着广泛使用多光谱和高光谱相机的方向发展。这种成像系统的一个关键组件是滤色器阵列，它定义了每个相机像素检测到的光谱。因此，必须开发一种可变的、鲁棒的和可扩展的方式来控制光的传输。纳米结构表面，也称为超颖表面，提供了一个有前途的解决方案，因为它们的透射光谱可以通过塑造其组成元素的波长依赖性散射特性来控制。在这里，我们提出，基于硅纳米盘的超颖表面，其提供的滤波器功能的振幅达到70-90%的传输，并且非常适合RGB和CMY彩色滤波器阵列，朝向高光谱滤波器的进一步发展的初始阶段。我们建议和讨论可能的方法来扩大色域，提高这种光学滤波器的颜色值。
2020-04-14 physics.app-ph physics.optics
Efficient polarization insensitive complex wavefront control using Huygens' metasurfaces based on dielectric resonant meta-atoms
亚波长薄超颖表面在控制光学波前方面显示出了巨大的潜力，从而为高效平面光学的发展开辟了新的途径。特别是惠更斯基于全介电共振超原子的超表面，由于其偏振不敏感性和高透射效率，已经显示出巨大的实际应用潜力。在这里，我们实验证明了偏振不敏感的全息惠更斯超表面的基础上，能够在电信波长的复杂波前控制的介电共振元原子。我们的超颖表面在远场产生全息图像，具有82%的透射效率和40%的成像效率。这种有效的复杂波前控制表明，惠更斯基于共振介电元原子的超颖表面是超颖表面在波前设计相关技术中的实际应用的一大步，包括计算机生成的全息图，超薄光学，安全和数据存储设备。
2016-02-02 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
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
Octave-Spanning Terahertz Quarter-Wave Plates Based on Over-Coupled Fabry-Pérot Resonances in Reflective Metal-Dielectric-Metal Metasurfaces
Center for Integrated Nanotechnologies, Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室集成纳米技术中心）
本文提出基于过耦合反射金属-介电-金属超构表面的太赫兹四分之一波片，通过设计相位色散实现宽频带偏振控制，实验验证了其高反射率和高效偏振转换性能。
2026-04-03 physics.app-ph 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
Low loss metasurfaces based on quantized meta-atom
本文通过量子化超原子将金属超表面损耗降至介质超表面水平，并提出耦合模型解释损耗降低机制，为超表面及其他共振领域的设计与应用提供新理论支持。
2023-11-01 physics.app-ph physics.optics
Design of High-Q Passband Filters Implemented Through Multipolar All-Dielectric Metasurfaces
我们提出了一种新型的高Q通带滤波器的设计适当地结合不同的多极谐振维持的全介质metasurface。一个严格的分析模型，表面阻抗均匀化的基础上，并占的偶极和四极贡献的整体散射响应的影响，推导和验证通过数值模拟。然后，它是描述了如何有可能的工程偶极子和四极之间的相互作用，在一个超颖表面的核壳球形元件，以设计一个窄的传输带的双折射和宽带介质镜。所提出的滤波器具有高Q因子谐振，可以实现使用现实的材料在微波或光学频率。最后，我们讨论了如何建议的介质滤波器可以用来设计自滤波孔径天线表现出更高的带外选择性相比，通过金属谐振器实现。
2021-08-06 physics.app-ph physics.class-ph 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
Absolute chiral sensing in dielectric metasurfaces with signal reversals
针对纳米尺度分子手性传感信号弱、难实现绝对测量且纳米结构固有信号易干扰的问题，提出带信号反转功能的介质超材料系统，无需移样即可测总手性，还实现了200倍信号增强。
2020-01-18 physics.app-ph physics.optics
Generation and Enhancement of Persistent Nanoscale Magnetization in All-Dielectric Metasurfaces by Optically Injected and Localized Free Carriers
School of Applied and Engineering Physics, Cornell University（康奈尔大学应用工程物理学院）
研究通过光注入和局域自由载流子生成和增强所有电介质超材料中持久的纳米尺度磁化，利用分析方法和电磁模拟实现时间界面，产生大范围的静态磁场。
2026-04-22 physics.app-ph physics.optics physics.plasm-ph
Self-induced passive nonreciprocal transmission by nonlinear bifacial dielectric metasurfaces
打破洛仑兹互易定律是一个不平凡的任务，因为它通常需要庞大的磁铁或复杂的时间调制动态技术来完成。在这项工作中，我们提出了一个简单而紧凑的设计，非线性双面介质metasurface实现强大的自诱导无源非互易传输，而无需使用外部偏置。所提出的设计是自由空间光学应用的理想选择，可以在两种入射偏振下工作，并且需要非常低的输入激发功率来达到非互易机制。它是由两个被动的硅基超颖表面表现出法诺和洛伦兹共振嵌入在一个玻璃基板。高度不对称的场增强实现与建议的设计，导致在低激发强度，由于大的克尔非线性硅强非互易性。此外，级联设计，提出了进一步改善插入损耗，扩大非互易强度范围，并通过提高传输对比度，提高隔离比。最后，它表明，所提出的非线性超颖表面是强大的制造缺陷，可以实现较大的隔离相对较宽的输入功率范围内，即使在两个入射波同时从两个方向冲击的情况下。目前的工作预计将导致新的紧凑型非互易纳米光子器件，如全光二极管，隔离器，环行器，和敏感的光学元件的防反射保护层。
2020-04-16 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
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
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
