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
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
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
Conformal sparse metasurfaces for wavefront manipulation
虽然平面超颖表面被深入研究，共形超颖表面的理论建模似乎是非常具有挑战性的，它需要准确的超颖表面的几何形状的分析。在这里，它示出了如何可以采用数值计算的格林函数来设计任意几何形状的共形稀疏元表面在同一框架内，没有任何住宿。此外，遵循所提出的方法，仅实现电响应以执行波前的有效控制可能是足够的，这可以简化共形超颖表面的设计和制造。
2020-07-19 physics.app-ph
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
Multi-functional metasurface architecture for amplitude, polarization and wavefront control
超颖表面（MS）已被用于操纵电磁波的不同性质。通过将对波振幅、相位和偏振的局部控制组合到单个可调结构中，可以实现多功能和可重构的超表面，能够完全控制入射辐射。在这里，我们通过实验验证了微波制度的多功能元表面架构，其中原则上可变负载连接在背板后面，以可重构地塑造复杂的表面阻抗。作为概念验证的步骤，我们制作了几个元表面实例，在不同的配置（表面贴装电容器和电阻器的不同值在不同的连接拓扑结构）的静载荷，以验证该方法，并展示了不同的可实现的功能。具体来说，我们表现出完美的吸收斜入射（两个偏振），宽带线偏振转换，和光束分裂，演示控制的振幅，偏振态，波前，分别。在4-18 GHz范围内的消声室进行测量，并显示出良好的协议与理论预期的结果。我们的研究结果清楚地表明，所提出的架构的可重构电磁波操纵的实际潜力。
2022-04-08 physics.app-ph physics.optics
Advancing Wavefront Shaping with Resonant Nonlocal Metasurfaces: Beyond the Limitations of Lookup Tables
针对传统查找表方法设计非局域共振超构表面性能不佳的问题，本研究采用统计学习优化技术结合近场耦合效应，在透射光束偏转、EDOF超构透镜及反射式超构光栅上均实现了性能大幅提升。
2023-10-03 physics.app-ph physics.optics
Third harmonic generation enhancement and wavefront control using a local high-Q metasurface
本文提出一种基于高阶Mie共振模式的局部高Q超表面，在保持局域控制的同时实现了三次谐波生成的强增强，效率达$3.25\times10^{-5}$，并实现了高质量波前整形与角度无关响应，为新型非线性光学器件提供了新途径。
2023-11-20 physics.app-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
GHz-speed wavefront shaping metasurface modulators enabled by resonant electro-optic nanoantennas
本文提出基于硅纳米棒-薄膜铌酸锂谐振电光纳米天线的超表面，实现GHz级振幅调制与透射波前整形，并展示分束器件1.03 GHz调制带宽，为高速自由空间通信与传感提供紧凑平台。
2025-03-11 physics.app-ph physics.optics
Free-standing bilayer metasurfaces in the visible
本文提出在可见光下工作的独立式双层超表面，通过两步光刻工艺制造TiO2纳米鳍，实现80%衍射效率的线偏振光波前整形，推进了复合超光学纳米加工。
2024-09-25 physics.app-ph physics.optics
Anomalous wavefront control via nonlinear acoustic metasurface through second-harmonic tailoring and demultiplexing
我们提出了一个非线性声学超颖表面的概念，利用局部共振的曲梁形成的单胞的非线性。分析模型的建立，探讨非线性现象，特别是二次谐波产生（SHG）的声波波导和验证，通过数值和实验研究。提出了一种新型的非线性声学超颖表面，用于分离不同频率分量，实现透射区二次谐波的异常波前控制。为此，我们演示了波转向，波聚焦，和自弯曲传播。我们的研究结果表明，所提出的非线性超颖表面提供了一个有效的和高效的平台，以实现显着的SHG，并分离不同的谐波分量的波前控制的个别谐波。总的来说，这项研究提供了新的途径，利用非线性效应的声学波前剪裁和开发新的潜力，先进的技术来操纵声波。
2022-05-29 physics.app-ph
Reflected wavefront manipulation by acoustic metasurface with anisotropic local resonant units
在这项工作中，我们开发的梯度超颖表面是由一个局部各向异性的共振结构，包括一个钢圆筒与椭圆形的橡胶涂层嵌入环氧树脂。局部各向异性谐振单元中的橡胶椭圆的偏转角提供了控制反射相位的方法。反射波的相移可以覆盖2 π范围。通过对超颖表面相位分布的合理设计，可以实现超颖表面的反常反射和贝塞尔光束。局部各向异性谐振单元具有工程和操纵声波阵面的巨大潜力
2019-02-28 physics.app-ph
Electroelastic metasurface with resonant piezoelectric shunts for tunable wavefront control
本研究提出了一种可调相位调制超颖表面，由周期性分布的压电片与谐振型分流电路组成。建立了全耦合机电模型，研究了超表面单元的传输特性，并通过数值和实验研究进行了验证。基于对超表面单元的分析，我们首先研究了具有单谐振分流器的电弹性超表面的性能，然后扩展了具有多谐振分流器的电弹性超表面的性能。通过调节并联电路中的电负载，我们利用所提出的超颖表面实现了A0模兰姆波在不同角度和不同焦点的波偏转和波聚焦。
2022-12-08 physics.app-ph
Gigahertz-rate-switchable wavefront shaping through integration of metasurfaces with photonic integrated circuit
该研究通过集成超表面、LNOI波导和电极于PIC器件，实现了千兆赫兹速率可切换的波前整形，支持任意偏振聚焦、可调焦距及OAM和贝塞尔光束，为高速光场控制提供高效平台。
2023-11-15 physics.app-ph physics.optics
Wavefront manipulation based of the excitation of bound states in dielectric photonic crystals and bilayer metasurfaces
本文研究了截断体介质光子晶体和孤立介电亚原子超表面终端的束缚表面模。我们讨论了这两个系统中束缚模的起源以及它们之间的关系。对于这两个系统，我们从理论上研究和实验上证明波前操纵，特别是定向发射，频率分裂和光束准直实现耦合的束缚态辐射模式通过泄漏波辐射机制，使用适当设计的散射光栅。
2019-08-20 physics.app-ph
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
Independent wavefront tailoring in full polarization channels by helicity-decoupled metasurface
在现代科学技术中，控制光的偏振和波前是紧凑型光子系统的基本要求。这可以通过元表面来实现，这是一个新的平台，它从根本上改变了人们设计波-物质相互作用的方式。然而，它仍然是非常具有挑战性的，以产生具有任意和独立的波前在每个偏振通道的单一的超颖表面的通用光束。通过调制元表面的几何相位和传播相位，在这里，我们提出了一种方法，该方法可以生成圆偏振和线偏振光束的组合，同时具有将所需波前独立编码到每个单独偏振通道的能力，我们相信这将大大提高元器件的信息容量。两个概念验证的设计在微波区的实验证明。在任意线偏振激发下，第一个器件可以产生具有所需的两个线偏振和两个圆正交偏振的不同涡旋光束，而第二个器件可以产生包含全偏振分量的多焦点。这种方法可以产生具有定制波前的多功能偏振，为实现集成系统的先进，平坦和多功能元器件铺平了道路。
2020-01-13 physics.app-ph
Non-local reconfigurable sparse metasurface: Efficient near-field and far-field wavefront manipulations
近年来，超表面显示出非常强大的电磁波操纵能力。然而，传统超颖表面的局部电磁响应在效率方面产生固有的性能限制，从而使其在现实生活中的应用最小化。可重新配置的超颖表面的效率由于超原子的高密度而进一步降低，达到每$λ^2$面积74个超原子，并入有损耗的可调谐元件。为了解决这些问题，我们实现了强电磁非本地功能的\textit{sparse}元表面组成的电子可重构的元原子。作为概念验证演示，在微波域中实验性地实现了每$λ^2$面积具有少至$8$元原子的动态稀疏超颖表面，以分别控制近场和远场区域中的波前以用于聚焦和波束形成。所提出的超颖表面具有稀疏性，不仅便于设计和制造，而且为光束操纵、无线功率传输和成像全息术中的高效实时可重编程功能打开了大门。
2020-09-24 physics.app-ph
Reflected wavefront manipulation by acoustic metasurface with anisotropic local resonant units
具有平面轮廓和波前成形能力的超表面将理想地适合于改善基于声波的应用的性能。广义斯涅耳定律为设计反射声波的相位剖面提供了一种新的途径。在这里，我们提出了一种新型的声学超颖表面的基础上的三组分复合材料，其中包含一个钢球涂有一个薄的椭圆层的硅橡胶和嵌入在环氧树脂。通过设计梯度相位剖面，变钢球半径声超表面可以实现异常反射，成为一个平面声透镜。声学超颖表面包含精心挑选的三组份复合材料，作为皮肤斗篷，成功地实现了声学隐身。
2018-06-26 physics.app-ph
Electrically Tunable Harmonics in Time-modulated Metasurfaces for Wavefront Engineering
超颖表面在时间上的调制，通过破坏互易性和产生高阶频率谐波，产生了几种奇异的时空散射现象。我们介绍了一种新的设计范例的时间调制超颖表面，提供电气可调工程所产生的频率谐波和他们出现的波前，通过控制调制的相位延迟。它表明，无论入射角和偏振的光获得无色散相移，在经历频率转换的时间调制超颖表面是线性成比例的调制相位延迟和所产生的频率谐波的阶数。到频率谐波的转换效率与调制相位延迟无关，并且仅取决于超表面元件的调制深度和谐振特性，最高效率出现在谐振附近，并且远离谐振状态而降低。该设计方法允许在宽范围的频率和入射角下，在所生成的频率谐波的波前中创建具有2π跨度的可调谐空间变化相位不连续性。具体而言，我们将这种方法应用于由石墨烯包裹的硅微线组成的太赫兹制度中的时间调制超颖表面。为此，我们使用一个准确和高效的半解析框架的基础上多极散射。我们证明了可调光束转向和所产生的频率谐波的聚焦的设计的实用程序。此外，我们严格验证了宽带和广角性能的超表面在操纵所产生的频率谐波。所提出的设计方法使一类新的高效率的可调谐超颖表面具有宽的角度和频率带宽，波前工程能力和多功能。
2018-12-28 physics.app-ph
A continuously tunable acoustic metasurface for transmitted wavefront manipulation
先前报道的声学超颖表面由固定通道组成，不可调谐以满足宽带要求和可变功能。为了克服这一局限性，我们提出了螺丝和螺母的可调谐性机制，并设计了一种类型的连续可调谐声学元表面的螺旋圆柱体的单元组件被拧成一个板。螺旋通道长度可以通过旋入深度连续调节;然后获得在独立像素处具有连续可调声相的元表面。不同分布的单位分量可以形成任意的超颖表面轮廓。我们还开发了一个近似的等效介质模型来预测单位组件的可调性。作为一个例子，我们提出了一个圆形的可调元表面的三维声聚焦不同的空气中的声源在一个宽的频率区域的设计细节。超颖表面的样品是由聚乳酸（PLA）塑料制造的，螺旋圆柱体是3D打印的。进行了声聚焦实验。结果表明，等效介质模型的计算结果、有限元模拟结果与实验结果吻合较好。
2017-11-27 physics.app-ph
Computational inverse design of acoustoplasmonic metasurfaces
本文提出一种计算逆向设计算法，用于设计声等离子体超表面，实现复杂光致声波场，并展示了单一超表面在两种正交偏振光激励下产生两种不同摩尔斯电码图案声波场的能力。
2025-04-09 physics.app-ph physics.optics
Infrared hyperbolic metasurface based on nanostructured van der Waals materials
具有强各向异性光学性质的超表面可以支持深亚波长尺度的受限电磁波（极化激元），其有望在光子和光电应用中控制光。我们开发了一个中红外双曲超颖表面纳米结构的六方氮化硼支持深亚波长尺度的声子极化激元，平面内双曲色散传播的薄层。通过应用红外纳米成像技术，我们可视化的凹（异常）波前的发散极化激元光束，这代表了双曲型极化激元的一个里程碑式的功能。结果说明了近场显微镜如何应用于揭示各向异性材料中极化激元的奇异波前，并表明纳米结构范德华材料可以形成双曲红外超颖表面器件和电路的高度可变和紧凑的平台。
2019-04-08 physics.app-ph physics.optics
Ultrafast reprogrammable multifunctional vanadium-dioxide-assisted metasurface for dynamic THz wavefront engineering
本文首次提出了一种新一代超快可编程多任务偏置编码超颖表面，用于动态太赫兹波前工程，采用VO 2可逆和快速单斜到四斜相变。我们设计的基于VO 2的编码元表面（VTOs）的多功能性通过精心设计的元原子来保证，所述元原子包括三种图案化的VO 2薄膜，其操作状态可以在“00”-“11”的四种状态之间动态地调节，所述四种状态仅通过改变由外部FPGA平台控制的偏置电压来实现。利用这种亚原子设计，通过采用不同的类螺旋和类螺旋抛物线编码序列驱动涡旋，分别获得了具有可互换OAM模式的单涡旋光束和聚焦涡旋光束。此外，利用叠加原理和卷积运算，实现了对称/非对称多光束和任意取向的多涡旋光束在预定方向上的不同拓扑荷。我们所设计的多功能性的VADVANTS还配备了一个平台，将入射的太赫兹波阵面聚焦到一个可以动态改变的预定点。几个说明性的例子已经成功地阐明，拟议的VANES是一个很有前途的候选人，用于解决关键的THz挑战，如高数据速率无线通信，其中需要在几个任务之间进行超快速切换。
2019-10-31 physics.app-ph
Bianisotropic metasurfaces for scattering-free manipulation of acoustic wavefronts
梯度超颖表面的最新进展已经表明，只有通过局部控制组成单元的双各向异性响应，才能确保折射的完全控制，即，任意改变入射波的方向，而不产生向不需要的方向的散射。在这项工作中，我们提出并实验验证了使用一种新的声学细胞架构，提供足够的自由度，以完全控制的双各向异性响应，并最大限度地减少谐振元件产生的实施损失。该方法的多功能性示出通过三个不同的异常折射超颖表面的设计，能够重定向垂直入射的平面波，以60，70和80度的传输。双各向异性设计的效率超过90%，远高于基于传统的广义Snells定律的相应设计（81%，58%和35%）。所提出的策略开辟了一种新的方式，设计实用和高效的双各向异性超颖表面的不同功能，使通过薄超颖表面的声学能量流接近理想的控制。
2017-11-27 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
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
Switchable bifunctional metasurfaces: nearly perfect retroreflection and absorption at THz regime
在这里，我们利用二氧化钒（VO2）来设计一个在相同的目标频率下工作的双功能超颖表面。随着温度的升高，由于VO2从绝缘体到导体的相变，所设计的超颖表面的功能可以从多通道后向反射器切换到理想吸收器。与传统的由两个功能简单组合而成的双功能元表面不同，我们提出的双功能元表面是基于两个功能之间的相互作用。该器件显示出良好的波前操纵和光学吸收相结合的潜力，因此提供了一个有前途的方法，可切换的检测和反检测设备。
2020-06-18 physics.app-ph physics.optics
Multifunction full space graphene assisted metasurface
针对现有超表面仅能在反射或透射单一模式下操纵电磁波导致空间覆盖减半的局限，首次提出一种在THz频段能独立且同时操纵两个半空间电磁波的新型石墨烯辅助可重编程超表面。
2023-09-08 physics.app-ph physics.optics
Meta-optical processors for broadband complex-field image operations
Tampere University（坦佩雷大学）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
本文提出了一种基于元表面的宽波长带宽光学处理器，能够实现幅度和相位编码输入的多种图像处理操作，具备灵活和紧凑的结构，适用于实际应用。
2026-02-02 physics.app-ph physics.optics
Prototype-Aware Fundamental Electromagnetic Limits on Wavefront Synthesis with Programmable Metasurfaces
Aalto University（阿尔托大学）；Univ Rennes, CNRS, IETR - UMR 6164（雷恩大学，法国国家科学研究中心，IETR - UMR 6164）
本文结合多端口网络理论与实验参数，推导了可编程超表面在波前合成中的原型感知电磁极限，包括保真度、模式强度及帕累托边界，并通过实验验证了界限的紧致性。
2026-06-16 eess.SP physics.app-ph
Wavefront Shaping with a Tunable Metasurface: Creating Coldspots and Coherent Perfect Absorption at Arbitrary Frequencies
现代电子系统在复杂的电磁环境中工作，必须处理噪声和不必要的耦合。隔离或拒绝不需要的信号以减轻漏洞的能力在任何实际应用中都是至关重要的。在这项工作中，我们描述了使用一个二进制的可编程元表面（i）控制电磁腔内部传播的波的空间自由度，并证明了在选定的端口之间的传输系数中创建零点的能力;和（ii）创建相干完美吸收的条件。这两个目标都是在任意频率下执行的。在第一种情况下，提出了一种新颖有效的优化算法，该算法选择性地在单个频带上或同时在多个频带上生成冷点。我们表明，该算法是成功的多输入端口配置和不同的优化带宽。在第二种情况下，我们建立了如何使用这种技术来建立一个多端口相干完美的吸收腔的状态。
2020-11-06 cond-mat.dis-nn physics.app-ph
Towards optimal spatiotemporal wavefront shaping for the cocktail party problem with inverse design of an acoustic reconfigurable metasurface in disordered media
提出一种高效优化公式，通过频域闭式最小二乘解设计声学可重构超表面的时空自由度，解决鸡尾酒会问题，并在无序介质实验中验证了其强劲性能。
2024-03-23 physics.app-ph
Dynamic MEMS-based optical metasurfaces
光学元表面（OMS）在亚波长尺度上显示出前所未有的多功能波前操纵能力，从而为下一代超紧凑光学设备和系统开辟了迷人的前景。然而，到目前为止，大多数成熟的OMS是静态的，其特征在于由在其制造期间设置的OMS配置确定的定义明确的光学响应。迄今为止，通过使用受控的组成材料或几何参数研究的动态OMS配置通常表现出特定的限制和降低的可重构性。在这里，通过结合薄膜压电微机电系统（MEMS）与基于间隙表面等离子体激元的OMS，我们开发了一种电驱动的动态MEMS-OMS平台，该平台通过精细地致动MEMS反射镜来提供反射光的可控相位和幅度调制。使用该平台，我们展示了用于偏振无关光束转向和二维聚焦的MEMS-OMS组件，具有高调制效率（约50%），宽带操作（约20%，接近800 nm的工作波长）和快速响应（< 0.4 ms）。开发的MEMS-OMS平台为实现复杂的动态2D波前操纵提供了灵活的解决方案，可用于可重构和自适应光网络和系统。
2021-01-21 physics.app-ph physics.optics
In-situ integrated nonlocal Huygens metasurfaces enable robust vortex beams from multimode fibers
Zhejiang Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization, Department of Electronic Science and Engineering, School of Engineering, Westlake University（西湖大学工程学院电子科学与工程系三维微纳加工与表征浙江省重点实验室）；Westlake Center for Micro/Nano Fabrication, Westlake University（西湖大学微纳加工中心）；Eastern Institute of Technology（宁波东方理工大学）
该研究将硅非局域惠更斯超表面原位集成到多模光纤端面，无需预补偿即可将散斑图案转为涡旋光束，提升了抗光纤扰动的鲁棒性，为多模光纤结构光应用提供了紧凑平台。
2026-08-11 physics.app-ph physics.optics
Thermally-Switchable Metalenses Based on Quasi-Bound States in the Continuum
本研究实验展示了基于连续谱中准束缚态的热可切换超透镜，通过热光效应调控共振波长，实现聚焦能力的开关及可重构聚焦图案，为多功能超光学器件提供了新途径。
2023-06-23 physics.app-ph physics.optics
A multi-functional reconfigurable metasurface: Electromagnetic design accounting for fabrication aspects
在本文中，我们提出了理论上的考虑和设计演变的概念验证的可重构超颖表面，主要用作可调谐微波吸收器，但也作为一个波前操纵和偏振转换装置的反射。我们概述了设计的演变和所有考虑因素，从选择的补丁形状，单元格的大小，和基板，实现所需的可调谐性的结构的拓扑结构。所提出的设计符合制造限制，并且被共同设计为与集成电路芯片一起工作，用于使用商业上可获得的半导体工艺向超表面提供可调谐的复杂负载。所提出的结构可以通过适当地偏置集成电路来执行多个可调谐功能：对于两种线性偏振状态的宽范围入射角的完美吸收，适应5 GHz附近的光谱范围，还具有波前控制的潜力，例如通过异常反射和偏振转换。最终的愿景是这样一个设计是可扩展的和可部署的，作为一个实际的超表面，即，一种智能多功能超颖表面，能够同时实现可重新配置的功能：吸收、光束转向、偏振转换、波前整形、全息术和传感。
2020-09-04 physics.app-ph
Coherent wave control in complex media with arbitrary wavefronts
波前整形（WFS）已经成为控制各种波现象（光、声、微波等）传播的强大工具。在无序物质中的应用包括成像、通信、能量转移、微操作和散射异常。然而，在实践中，多个输入通道的必要的相干控制仍然是一个令人烦恼的问题。在这里，我们克服了这个困难，通过掺杂无序介质与可编程的元原子，以适应它强加的任意传入波前。除了解除对精心成形的入射波前的需求外，我们的方法还解锁了新的机会，例如用相同的任意波前依次实现不同的功能。我们证明了我们的概念实验电磁波在混沌腔中使用可编程元表面，与应用程序的广义Wigner-Smith算子以及相干完美吸收聚焦。我们期望我们对相干波控制的全新视角，以促进复杂的WFS协议过渡到各种波现象的实际应用。
2021-02-18 physics.app-ph physics.optics
Multiphysics metamirrors for simultaneous manipulations of acoustic and electromagnetic waves
超颖表面已经显示出波的波前操纵的前所未有的可能性。研究工作集中于开发对一种物理性质的波（例如，对电磁波）执行特定功能的元表面。在这项工作中，我们提出了使用功率流共形元反射镜创建多物理场设备，可以同时控制不同性质的波。特别是，我们介绍了超表面设备执行指定的操作，在同一时间的电磁波和声波。使用基于表面阻抗的纯分析模型，我们引入了对电磁波和声波执行相同功能的元表面，并且更具有挑战性的是，对电磁学和声学执行不同功能。我们提供了现实的拓扑结构的实际实现建议的元表面，并确认与数值模拟的结果。
2020-02-03 physics.app-ph physics.optics
Wavefront Shaping of Ultrasound Vortex through the Human Skull Enabled by Binary Acoustic Metasurfaces
School of Engineering Medicine, Beihang University（北京航空航天大学工程医学院）；Beijing Advanced Innovation Center for Biomedical Engineering（北京生物医学工程高精尖创新中心）；Shenzhen Institute of Beihang University（北京航空航天大学深圳研究院）
本研究利用二进制声学超材料实现跨颅骨引导的超声涡流，通过时间反演技术校正颅骨相位畸变，生成可控的声学涡流，为生物医学应用提供新途径。
2026-01-18 physics.app-ph physics.bio-ph physics.med-ph
Artificial Neural Network with Physical Dynamic Metasurface Layer for Optimal Sensing
我们解决的基本问题，如何最佳地探测电磁（EM）辐射的场景，以产生最大量的信息相关的特定任务。机器学习（ML）技术已经成为从从光学到微波域的各种EM测量中提取任务相关信息的强大工具。然而，考虑到利用可编程EM波前主动地照射特定场景的能力，通常不清楚什么波前最佳地编码用于手头任务的信息（例如，对象检测、分类）。在这里，我们展示了通过将场景照明和检测的物理模型集成到ML管道中，我们可以共同学习给定任务的最佳采样和测量处理策略。我们认为，在模拟的例子中使用微波辐射产生的动态元表面的对象进行分类。通过将描述作为耦合偶极子的超材料元件的分析前向模型集成到ML管道中，我们用数字神经网络权重联合训练模拟模型权重。学习的非直观照明设置使用较少的测量产生较高的分类准确度。在实践层面上，这些结果与新兴的情境感知系统高度相关，例如自动驾驶汽车，非接触式人机交互设备或智能医疗保健，其中严格的时间限制对测量策略造成了严重限制。在概念层面上，我们的工作作为波前整形和可调元表面设计的物理层和ML技术的处理层之间的桥梁。
2019-06-24 cond-mat.dis-nn physics.app-ph physics.comp-ph
Do bilayer metasurfaces behave as a stack of decoupled single-layer metasurfaces?
本文通过数值模拟检验双层超表面能否视为两个解耦单层超表面的级联，发现特定设计区域耦合可忽略，并提出了仅需单层仿真即可构建多层超表面的高效方法。
2023-11-16 physics.app-ph physics.optics
Tailoring Terahertz Propagation by Phase and Amplitude Control in Metasurfaces
近年来，使用超颖表面来随意控制波的传播在宽电磁波谱上已经非常成功。通过编码特殊设计的电磁参数突变到元表面，如相位和振幅，几乎任意的控制输出波前可以实现。超表面由单层或几层平面结构组成，设计和制造简单，因此具有许多实际应用前景。此外，这种控制概念可以进一步扩展到表面波状态。在这篇综述中，我们提出了我们最近的进展，能够定制的自由空间和表面太赫兹波的传播超颖表面。介绍了太赫兹超颖表面的基本概念和理论，并提出了一些独特的超颖表面，展示了设计超薄、紧凑的功能性太赫兹器件的能力。
2022-04-01 physics.app-ph physics.optics physics.pop-ph
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
Polarization-independent resonant lattice Kerker effect in phase-change metasurface
周期性谐振器中的谐振晶格Kerker效应是Kerker效应最有趣的推广之一，涉及各种迷人的功能，如散射管理和惠更斯超颖表面。然而，到目前为止，这种效应已被证明是敏感的入射偏振，限制了它的应用。在这里，我们报告，为第一次，极化无关的共振晶格Kerker效应在由周期性的Ge $_2$ Se $_2$ Te $_5$（GST）盘组成的超颖表面。对于这种正方形晶格的超颖表面，通过选择合适的GST晶体分数，可以实现电偶极和磁偶极表面晶格共振的光谱重叠，而不管入射偏振。工作波长和所需的GST结晶分数可以方便地在大范围内调谐，因为这些参数与盘尺寸和晶格周期成线性比例，大大方便了设计。利用所得到的共振晶格Kerker效应，我们实现了一种可重构的、偏振无关的、具有接近于$2π$的动态相位调制和高透射率的晶格惠更斯超颖表面。这一工作将推动共振晶格Kerker效应的工程化，促进其在相位调制和波前控制中的应用。
2022-07-04 physics.app-ph physics.optics
Demonstration of a Polarization-Agnostic Geometric Phase in Nonlocal Metasurfaces
在支持连续准束缚态（q-BIC）的非局域元表面中出现的对称驱动现象已经开辟了新的途径，通过微扰设计原理来定制增强的光-物质相互作用。在许多物理系统中观察到的几何相位概念在非局部超颖表面中特别有用，因为它们能够局部地图案化跨超颖表面孔径的q-BIC散射速率和相位，而不影响q-BIC共振的离域性质。然而，这种控制通常在效率和/或偏振操作方面具有严格的限制。在这里，我们揭示了一种新的形式的几何相位控制，积累沿连续轮廓的几何扰动参数包围一个奇点与束缚态。无论选择的偏振状态，这可以合理地指定由一个明智的选择的微扰几何形状的响应。我们的研究结果扩展了几何相位的概念，任意极化，包括线性和椭圆状态，与近统一的散射效率。这种偏振不可知几何相位为波前操纵、多功能操作和光发射提供了新的机会，并在增强现实、安全通信、无线系统、成像、激光、非线性和量子光学中应用。
2023-02-26 physics.app-ph physics.optics
Perfect Generation of Angular Momentum with Cylindrical Bianisotropic Metasurfaces
超颖表面的最新进展已经显示出控制组成超原子的双各向异性响应对于最大效率波前变换的重要性。在双各向异性超颖表面的范例下，允许完全控制局部散射特性，从而为创建互反超颖表面开辟新的设计途径。尽管最近在电磁和声平面波的完美变换方面取得了进展，但双各向异性超颖表面对于变换柱面波的重要性仍未得到探索。出于任意控制柱面波的角动量的可能性，我们开发了一种设计方法的双各向异性圆柱形超颖表面，使柱面波的完美变换。这种形式主义适用于声学的情况下，完美的角动量变换的第一个实验演示。
2018-06-12 physics.app-ph
Tunable Perfect Anomalous Reflection in Metasurfaces with Capacitive Lumped Elements
我们证明了可调谐完美的异常反射与超颖表面纳入集总元件。每个元件的可调谐电容提供对局部表面电抗的连续控制，允许控制倏逝场分布并有效地使反射波前倾斜远离镜面方向。超颖表面的性能进行了评估TE和TM偏振和反射的第一和第二衍射阶。
2019-04-01 physics.app-ph
Arbitrary Wave Transformations with Huygens' Metasurfaces through Surface-Wave Optimization
惠更斯的超颖表面已经证明了用无源低轮廓结构来调整电磁波阵面的能力。实现无源和理想无损解决方案的基本约束是沿着元表面局部地保持法向实功率。在这项工作中，我们研究使用辅助表面波，以克服这一限制和惠更斯设计的超表面波变换具有不同的入射和输出功率密度分布。所开发的方法依赖于表面波分布的优化，该表面波分布用于在超表面的输入侧重新分配功率而不会引起任何反射。一个完整的设计实例是一个线性贴片阵列沿H-平面照明元表面，产生均匀的输出场沿E-平面。尽管光源和超颖表面之间的距离很小，但仍获得了92%的高孔径照明效率。此外，还讨论了倏逝谱对结构损耗和带宽的影响。
2021-06-13 physics.app-ph
The Software-Defined Metasurfaces Concept and Electromagnetic Aspects
我们提出的概念和电磁方面的HyperSurFaces（HSFs），人工，软件控制的电磁特性的超曲面结构。HSF的关键单元是超表面，一个具有设计的亚波长特征的平面，其电磁响应可以通过电压控制的连续可调谐电气元件进行调谐，这些元件提供表面阻抗的局部控制和高级功能，例如可调谐的完美吸收或波前操纵。控制器的纳米网络使软件定义的HSF控制与新兴的物联网范例相关。
2019-08-02 physics.app-ph
High-efficiency refracting millimeter-wave metasurfaces
印刷电路超颖表面因其多功能的波前操纵能力而在微波界引起了极大的关注。尽管它们在电信和雷达应用中具有很好的潜力，但很少有报道称透射超颖表面在毫米波频率下工作。包括制造公差、层间近场耦合和导体粗糙度在内的几个次级效应在如此高的频率下更加严重，并且可能导致显著的性能退化。此外，需要非常精确的实验技术来验证这些效应。在这项工作中，我们提出了高效的折射超颖表面工作在83 GHz。我们使用的合成技术，最大限度地减少由于层间近场耦合和导体粗糙度的影响，如性能下降。我们的实验表征包括在宽频率范围内的所有正向传播Floquet谐波的强度的准确测定。实验数据与全波模拟结果吻合良好，验证了本文的综合方法。
2020-02-17 physics.app-ph
Deep learning estimation of complex reverberant wave fields by a programmable metasurface
电磁环境正变得越来越复杂和拥挤，对依赖于电磁波进行通信、感测或成像的系统产生了越来越大的挑战，特别是在混响环境中。可编程超表面的使用提供了一种潜在的方法来引导波，以按需优化无线信道，确保可靠的操作并保护敏感的电子元件。在这里，我们介绍了一种技术，它将深度学习网络与二进制可编程元表面相结合，以在复杂的混响电磁环境中塑造波，特别是在没有直接视线的环境中。我们应用这种技术的波前重建和控制，并准确地确定元表面配置的基础上测量系统的散射响应在混沌微波腔。即使在深度学习算法先前未看到的情况下，也成功地确定了实现期望的电磁波场分布特性的元表面的状态。我们的技术是由腔体的混响性质，是有效的与元表面，覆盖只有$\sim$ 1.5\%的总腔体表面积。
2022-01-30 physics.app-ph
Elastic metasurfaces for splitting SV- and P-waves in elastic solids
虽然最近的进展已经使得可以利用亚波长超颖表面板来操纵电磁波和声波阵面，但是弹性动力学对应物的设计仍然具有挑战性。我们介绍了一种新颖而简单的设计方法来控制弹性固体中的SV波。所提出的超颖表面可以通过在固体中切割对准的平行裂纹阵列来制造，使得裂纹之间的材料充当背景介质中的板状波导。板阵能够在保持P波相位不变的情况下调制SV波的相位变化。建立了SV波入射的解析模型，计算了SV波在平板波导中的透射系数和透射相位。通过为板选择不同的厚度来实现相位延迟的完整$2π$范围。分裂SV波和P波的弹性元表面的设计和演示使用全波有限元（FEM）模拟。还提出了聚焦平面和柱面SV波的两种元表面。
2017-11-11 physics.app-ph
Achromatic metasurfaces with inversely customized dispersion for ultra-broadband acoustic beam engineering
超表面是一种具有特殊波前调制能力的非线性介质，在波的操纵方面显示出了广泛的应用前景。然而，现有的声学超颖表面受限于其窄带频率依赖能力，这严重阻碍了其通常需要定制色散的实际应用。为了解决这一挑战，我们报告了超宽带消色差超颖表面，能够提供任意和频率无关的波属性由下而上的拓扑优化。我们连续展示了三种超宽带功能，包括声束转向，聚焦和悬浮，分别具有破纪录的93.3%，120%和118.9%的相对带宽。所有的元表面元素显示出新颖的非对称几何形状，包含多个散射，弯曲的空气通道和局部空腔。此外，我们发现，反向设计的超颖表面可以支持集成的内部谐振，双各向异性和多重散射，共同形成的机制支撑的超宽带定制的色散。我们的研究为超宽带高效消色差功能器件的需求开辟了新的视野，并有望扩展到光学和弹性消色差超材料。
2020-11-18 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
