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
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
A Freeform Dielectric Metasurface Modeling Approach Based on Deep Neural Networks
University of Massachusetts Lowell（马萨诸塞大学洛厄尔分校）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；East China Normal University（华东师范大学）；Lockheed Martin Corporation（洛克希德·马丁公司）；University of Central Florida（中佛罗里达大学）
超表面在成形光学波前方面显示出有前途的潜力，同时与庞大的几何光学器件相比保持紧凑。作为超颖表面的基本构件，超原子的设计依赖于试错法来实现目标电磁响应。这个过程包括表征大量具有不同物理和几何参数的不同元原子设计，这通常需要巨大的计算资源。本文介绍了一种基于深度学习的元表面/元原子建模方法，可以在保持准确性的同时显著缩短表征时间。基于卷积神经网络（CNN）结构，所提出的深度学习网络能够对具有自由形式的2D图案和不同晶格尺寸、材料折射率和厚度的元原子进行建模。此外，所提出的方法具有在毫秒级的时间尺度内预测元原子的宽光谱响应的能力，这使得它对于诸如快速元原子/元表面按需设计和优化的应用具有吸引力。
2020-01-01 cs.LG 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
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
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
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
Porous SiO$_2$ coated dielectric metasurface with consistent performance independent of environmental conditions
随着功能介电超颖表面及其在片上纳米光子器件上的集成的快速发展，超颖表面在不同环境下工作的必要性，特别是在生物应用中，出现了。然而，超颖表面的性能与单位单元的效率以及最终其设计的周围环境有关，因此如果暴露于改变折射率的介质，则降低其适用性。在这里，我们报告了一种方法，以增加超颖表面的通用性，覆盖高折射率超颖表面与低折射率多孔SiO $_2$膜，保护超颖表面从环境变化，同时保持工作效率不变。我们表明，一个覆盖的元表面保留其功能，即使暴露在流体环境。
2022-01-20 physics.app-ph 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
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
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
Synthesis of Modulated Dielectric Metasurfaces for Precise Antenna Beamforming
本文提出了一种端到端的设计方法，用于合成具有调制厚度的介电超颖表面，该介电超颖表面能够在远场以高精度实现期望的辐射图案。该方法依赖于积分方程和矩量法来计算在给定的入射照明下整个超颖表面的感应表面和体积电流密度。通过避免介质层的均匀化和直接计算的散射场通过矩量法，近场和远场响应的超表面可以准确地预测和优化。特别是，一个调制介质超颖表面的设计实例，由一个单一的嵌入式线源馈电，实现了一个Chebyshev阵列方向图与-20 dB的旁瓣电平。此外，设计、3-D打印和测量了执行垂直入射平面波的分束的外部馈电电介质超颖表面，其示出了在± 30度处的两个反射光束、对镜面反射的高抑制（> 14 dB）以及与模拟的和期望的辐射图案的令人满意的一致性。所提出的用于利用电介质超颖表面进行波束成形的设计方法可以在较高频率中找到应用，在较高频率中，由于较高的欧姆损耗和制造挑战，铜的使用可能是有问题的。
2022-11-25 physics.app-ph physics.optics
A review of dielectric optical metasurfaces for wavefront control
在过去的几年中，超颖表面已被用来展示光学元件和系统的能力，超过传统的衍射光学。在这里，我们回顾了这些最新的发展，重点是介电结构的整形光学波前。我们讨论了实现高效率的陡峭的相位梯度，同时偏振和相位控制，控制色散，控制角响应的机制。然后，我们回顾了在成像，共形光学，可调器件和光学系统中的应用。最后，我们展望了未来的潜力和需要克服的挑战。
2018-04-25 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
A comparative analysis of plasmonic and dielectric metasurface sensing platforms powered by bound states in the continuum
本文对比等离激元与介电BIC超表面在不同损耗液体环境中的传感性能，发现干燥条件下介电平台更优，有损耗溶剂中等离激元平台更佳，为SEIRAS材料选择提供框架。
2025-06-23 physics.optics
Highly tunable elastic dielectric metasurface lenses
介电超颖表面是由纳米散射体组成的二维结构，其以亚波长空间分辨率操纵光波的相位和偏振，从而实现用于自由空间光学的超薄组件。虽然已经示出了具有各种功能的高性能设备，包括使用常规光学设置难以实现的一些功能，但大多数演示的组件具有固定的功能。在这里，我们展示了高度可调的超颖表面设备的基础上亚波长厚硅纳米柱封装在一个薄的透明弹性聚合物。作为概念的证明，我们展示了在915 nm处工作的超颖表面微透镜，通过径向应变将焦距从600 $μ$ m调谐到1400 $μ$ m，同时保持衍射极限焦点和高于50 $\%$的聚焦效率。所展示的可调超颖表面概念对于开发超薄、多功能和可调光学器件具有高度的通用性，其应用范围从消费电子到医疗设备和光通信。
2016-04-12 physics.optics
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
Dielectric Metasurfaces for Complete Control of Phase and Polarization with Subwavelength Spatial Resolution and High Transmission
超表面是平面结构，其局部地修改反射或透射中的光的偏振、相位和振幅，从而使得能够实现具有由设计控制的功能的光刻图案化的平坦光学部件。透射超颖表面特别重要，因为实际上使用的大多数光学系统都是在透射中操作的。已经实现了几种类型的透射超颖表面，但是透射效率低或者对偏振和相位的控制有限。在这里，我们展示了一个基于高对比度介电椭圆纳米柱的超颖表面平台，该平台提供了对偏振和相位的完全控制，具有亚波长空间分辨率和实验测量的效率范围从72%到97%，具体取决于确切的设计。这样的完全控制使得能够使用相同的超材料平台实现大多数自由空间透射光学元件，诸如透镜、相位板、波片、偏振器、分束器以及偏振可切换相位全息图和任意矢量光束发生器。
2015-09-04 physics.optics
Optical Kerr nonlinearity of dielectric nanohole array metasurface in proximity to anapole state
超颖表面由于其突出的光学特性引起了研究者的极大关注。特别地，超颖表面可以由具有强场限制和基本上抑制的散射的光学阿那极点共振的结构组成。因此，这种纳米结构显示出增强的非线性光学性质。本文通过三维时域有限差分法模拟，研究了具有圆形纳米孔的高折射率介质超颖表面中的阿纳极模的能力。在阿那普尔态附近，有效的光学克尔非线性增加了几个数量级。同时，超颖表面的光透射率可以达到高达1的高值。
2022-05-27 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
Genetically optimized All-dielectric metasurfaces
我们提出并从理论上研究了一种获得宽角度、高效率、全介质超颖表面的新设计方法。作为一个具体的例子，我们专注于优化平面光束偏转器的红外和可见光谱区域。在可见光（580 nm）范围内，偏转角为65°时，理论传输效率可达87.2%;在电信波长（1550 nm）范围内，偏转角为30.5°时，理论传输效率可达82%。通过对包括超颖表面的纳米结构进行遗传优化来获得在宽偏转角处的增强的效率。与以前采用的设计方法相比，我们的方法大大提高了传输效率，而不牺牲矩形网格的安排，有利于实现广角平面偏转器和全息图/透镜。
2017-02-08 physics.optics
Multiwavelength polarization insensitive lenses based on dielectric metasurfaces with meta-molecules
超表面是由亚波长散射体（或超原子）阵列组成的纳米结构器件，其操纵光的波前、偏振或强度。像其他衍射光学器件一样，超表面遭受限制其带宽的显著色差。在这里，我们提出了一种方法，用于设计多波长超颖表面使用多个元原子，或元分子的单位细胞。透射透镜的效率高达72%，数值孔径高达0.46，同时工作在915 nm和1550 nm的演示。通过适当的缩放，这些设备可以用于需要在不同的已知波长下操作的应用中，例如各种荧光显微镜技术。
2016-01-22 physics.optics
Nonlinear optics at all-dielectric nanoantennas and metasurfaces
不受相位匹配约束的等离子体超表面对控制光学非线性和通过工程化亚波长超原子提高非线性产生效率做出了重要贡献。然而，高耗散损耗和不可避免的热加热限制了它们在非线性纳米光子学中的应用。全介电超颖表面，支持电和磁米氏型共振在其纳米结构，已出现作为一个有前途的替代非线性等离子体。高折射率介电纳米结构允许额外的磁共振，可以诱导磁非线性效应，其与电非线性一起增加非线性转换效率。此外，低耗散损耗和高损伤阈值为在高泵浦强度下操作提供了额外的自由度，从而显著增强了非线性过程。在这篇综述中，我们讨论了当前的国家的最先进的在激烈发展的领域的全介质非线性纳米结构和超颖表面，包括米氏模的作用，Fano共振和anapole时刻的谐波产生，波混合，和超快光开关。此外，我们还综述了利用全介质超表面进行非线性相位和波前控制的最新进展。我们讨论的技术，实现全介质超颖表面的多功能应用和产生的二阶非线性过程的CMOS兼容材料。
2020-02-10 cond-mat.mes-hall physics.optics
Decoupling optical function and geometrical form using conformal flexible dielectric metasurfaces
物体的物理几何形状和光学特性是相互关联的：圆柱体将光聚焦成一条线，球体聚焦成一个点，任意形状的物体都会引入光学像差。当必须提供特定的光学功能，而形状由其他考虑因素如人体工程学、空气动力学或美学决定时，需要具有解耦的几何形状和光学功能的多功能部件。在这里，我们展示了一种方法，用于解耦对象的光学特性从它们的物理形状使用薄而灵活的电介质超颖表面，符合对象的表面，并改变它们的光学特性。共形超颖表面由嵌入聚合物衬底中的硅纳米柱组成，其局部修改近红外（$\itλ$ = 915 nm）光学波前。作为概念的证明，我们表明，覆盖着超颖表面的柱面透镜可以转换为非球面透镜，将光线聚焦到一个点。共形超颖表面概念对于开发任意形状的多功能光学器件是高度通用的。
2016-05-11 physics.optics
Dielectric Metasurfaces for Complete and Independent Control of Optical Amplitude and Phase
超表面是光学上薄的超材料，其承诺完全控制光的波前，但主要用于仅控制光的相位。在这里，我们提出了一种方法，简单的概念和实践中，使用具有不同程度的形式双折射和旋转角度的元原子，以创建高效率的电介质超颖表面，控制在一个或两个频率的光学振幅和相位。这开辟了计算机生成全息术的应用，允许忠实地再现目标全息场景的相位和振幅，而无需仅相位全息术中所需的迭代算法。我们展示了全电介质超颖表面全息图的振幅和相位的独立和完整的控制，同时在两个光学频率，以产生二维和三维全息对象。我们发现，相位振幅超表面使一些功能无法实现的相位全息，这些包括创建无伪影的二维全息图像，编码相位和振幅分布分别在物平面，编码强度分布在超表面和物平面分别，并控制三维全息对象的表面纹理。
2019-09-05 physics.optics
Selective Diffraction with Complex Amplitude Modulation by Dielectric Metasurfaces
超颖表面由于其能够局部操纵光的光学参数和易于集成到复杂光学系统中的能力而引起了广泛的兴趣。特别地，超颖表面可以提供用于将光分裂和衍射成具有期望轮廓的多个光束的新颖平台，这与传统光栅形成对比。在这里，我们提出并实验证明了一种新的方法，用于产生独立的选择性衍射订单。我们的方法是基于复振幅调制与介电超颖表面。通过调整硅纳米鳍结构的几何参数，我们可以在空间上同时控制几何和动态相位以及振幅。我们将结果与使用纯相位调制的超颖表面进行比较，以验证这种选择性衍射可以单独有效地利用复振幅调制来实现。此外，还测量了各阶衍射角，其结果与标准光栅理论相一致。我们开发的方法实现选择性衍射与超颖表面在光束整形，并行激光制造，和纳米光学检测有潜在的应用。
2019-03-28 physics.optics
Dielectric metasurface for independent complex-amplitude control of arbitrary two orthogonal states of polarization
超颖表面是一种可以在亚波长尺度上操纵光的振幅、相位和偏振（APP）的平面结构。尽管已经基于超颖表面提出了各种功能，但是最通用的光学控制，即，任意两个正交偏振态的独立复振幅（振幅和相位）控制尚未实现。这种级别的光学控制不仅可以覆盖以前实现的各种功能，而且还可以实现以前不可行的新功能。在这里，我们提出了一个单层介电超颖表面来实现这一目标，并通过实验证明了几个先进的功能，如两个独立的全色印刷图像下任意椭圆正交偏振和双套印刷全息集成。我们的工作开辟了先进的图像显示，信息编码和偏振光学的广泛应用的方式。
2021-05-28 physics.optics
Nonlinear imaging with all-dielectric metasurfaces
非线性超颖表面结合了它们的线性对应物的许多功能，例如波前成形，但同时它们执行非线性光学变换。这种双重功能导致了相当不直观的物理行为，这对于许多光子应用来说仍然是广泛未开发的。非线性过程使得一些控制线性超颖表面功能的基本原理不能直接应用，例如叠加原理和几何光学近似。另一方面，非线性超颖表面促进了在线性区域中不可能的新现象。在这里，我们研究的对象通过介电非线性超透镜的成像。我们用红外线照射物体，并记录它们在可见光三次谐波波长下产生的图像。我们回顾了经典的透镜理论，提出了一个广义高斯透镜方程的非线性成像，实验和分析验证。我们还证明了实验高阶空间相关性的非线性超透镜促进，导致额外的图像功能。
2020-05-20 physics.optics
Nanoscale polarization manipulation and encryption based on dielectric metasurfaces
操纵光的偏振对于从超分辨率、光学捕获到粒子加速的各种应用都是非常需要的。超颖表面设计中的巨大自由度激发了在可重构和紧凑的光学系统中实现偏振控制。然而，大多数基于超颖表面提出的策略已经被证明只有一个空间均匀的偏振产生，而较少的注意力被投入到空间变化的非均匀矢量光束。在这里，我们展示了一种新的方法，用于产生任意的径向和方位角的偏振光束的高效率高达80%，通过利用透射型介电超颖表面。偏振转换元表面是实现偏振加密的合适候选者，我们通过将隐藏图像编码到空间偏振分布中来证明这一点。此外，我们表明，图像模式可以通过适当的偏振选择的透射光进行修改。这种方法可以为诸如成像、加密和防伪的各种应用提供实用技术。
2019-03-25 physics.optics
High-index dielectric metasurfaces performing mathematical operations
图像处理和边缘检测是几种新兴技术的核心，例如增强现实，自动驾驶和更普遍的对象识别。图像处理通常使用集成电子电路和算法以数字方式执行，这意味着基本的尺寸和速度限制以及显著的功率需求。另一方面，它也可以使用傅立叶光学器件以低功率模拟方式执行，但需要庞大的光学组件。在这里，我们介绍了介电超颖表面，在模拟域中使用的亚波长的几何形状，可以很容易地与检测器集成的光学图像边缘检测。超表面由设计用于执行1阶或2阶空间微分的适当工程化的纳米梁阵列组成。我们通过实验证明了输入图像上的二阶导数操作，显示了使用在高达0.35的数值孔径下工作的硅超颖表面几何结构的全光学边缘检测的潜力。
2019-03-20 physics.optics
Low-loss amorphous dielectric metasurface mirror for precision optical cavities
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文设计并实验实现了1064 nm波长下低损耗非晶介质超表面反射镜，峰值反射率99.10%，损耗0.26%，可将涂层布朗噪声降低3-5倍，有望提升精密光学腔性能。
2026-09-30 physics.ins-det physics.optics
Possibility of negative refraction for visible light in disordered all-dielectric resonant high index metasurfaces
采用三维时域有限差分（FDTD）模拟方法，在532 nm波长下研究了由磷化镓（GaP）球体组成的无序全介质超颖表面的有效折射率。结果表明，随机分布在超颖表面上的高折射率纳米颗粒的混合物可能具有负折射，其尺寸接近第一磁共振和电共振。构造了超颖表面有效折射率对纳米颗粒浓度和尺寸的依赖关系。论证了高折射率谐振球在大浓度下产生负折射的可行性。负的有效折射率仅表现为单层的GaP球。
2020-02-05 physics.app-ph physics.optics
Kerker condition for enhancing emission rate and directivity of single emitter coupled to dielectric metasurfaces
超颖表面具有控制光的经典和非经典状态的能力，以实现甚至在单个发射器水平上的受控发射。在这里，我们揭示了Kerker条件诱导的发射率增强与强方向性从一个单一的发射器集成在由硅纳米盘组成的电介质超颖表面。模拟和分析计算证明了Kerker条件与单向光散射电偶极子，环形偶极子，和磁四极子之间的建设性干涉演变。结果表明，局域光态密度随空间的变化而增强，局域光场强度随空间的变化而变化。在氮空位中心的零声子线处获得了400倍的速率增强，具有良好的发射方向性和收集效率。这些结果在按需单光子产生、自旋光子界面、多体相互作用和强耦合等方面具有重要意义。
2022-02-15 physics.optics
Enhancement of Circular Dichroism in Chiral Dielectric Metasurfaces by Ion Beam Irradiation
Friedrich-Schiller-University Jena（耶拿弗里德里希·席勒大学）；Abbe Center of Photonics（阿贝光学中心）；ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS)（变革性超光学系统卓越研究中心）；Department of Electronic Materials Engineering, Research School of Physics Australian National University（澳大利亚国立大学物理研究学院电子材料工程系）；Max Planck School of Photonics（马普光子学高等研究院）
通过离子束辐照增强手性介电超材料的圆二向性，实现光学手性的全局最大化。
2026-03-06 physics.optics
Reconfigurable collective resonances induced by liquid crystals in dielectric metasurfaces
本研究提出利用各向异性液晶改变介电超表面的集体共振，通过全波仿真和多极分解技术，证实了可利用偏振或外部电压动态调控超表面共振响应，为可见光范围内动态切换功能模式的光学纳米器件开发提供了新途径。
2024-07-29 physics.app-ph 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
Low Contrast Dielectric Metasurface Optics
当前图像传感器的小型化在很大程度上受到光学元件体积的限制。使用亚波长图案化的准周期性结构，也称为超表面，可以基于衍射原理构建平面光学元件。然而，据信超颖表面光学器件需要高折射率材料。在这里，我们表明，可以采用超颖表面的设计原则，即使是低对比度的材料，如氮化硅。我们验证了我们的理论，制造和实验特性的氮化硅为基础的透镜和涡旋光束发生器。所制备的透镜实现了小于1 μm的束斑，数值孔径高达~ 0.75。在可见光区观察到90%的透射效率和40%的聚焦效率。我们的研究结果为使用低对比度材料在可见光频率下构建低损耗超颖表面光学元件铺平了道路。
2015-11-09 physics.optics
High-efficiency optical frequency mixing in an all-dielectric metasurface enabled by multiple bound states in the continuum
我们提出了硅纳米盘二聚体超颖表面中的非线性光学四波混频。在斜入射的平面波作用下，所设计的超颖表面呈现出多共振的特征，同时激发出三个准束缚态。通过采用这些准BIC与最大的电场能量在输入凸块波长，三阶非线性过程，包括三次谐波产生，简并和非简并四波混频的显着增强被证明，在可见光波长产生十个新的频率。这项工作可能会导致一个新的前沿的超紧凑型光混频器的应用在光学电路，超灵敏传感和量子纳米光子学。
2023-02-25 physics.optics
Resonant Fully dielectric metasurfaces for ultrafast Terahertz pulse generation
针对现有太赫兹发射超表面吸收高的问题，提出依托形貌介导谐振与固有二阶非线性响应的全介质半导体超表面，实现40倍效率提升，为可扩展太赫兹发射体设计提供新方案。
2024-01-18 physics.optics
Efficient Dielectric Metasurface Collimating Lenses for Mid-Infrared Quantum Cascade Lasers
从单模半导体激光器发射的光通常具有大的发散角，并且需要高数值孔径透镜用于光束准直。可见光和近红外激光器使用非球面玻璃或塑料透镜准直，然而中红外量子级联激光器的准直通常需要由锗、硫属化合物或其他红外透明材料制成的更昂贵的非球面透镜。在这里，我们报告中红外介质超颖表面平面透镜，有效地准直单模量子级联激光器的输出光束。超颖表面透镜由平坦蓝宝石衬底上的非晶硅柱组成，并且可以使用单步常规UV二元光刻以低成本制造。采用数值孔径为0.86、透射效率为79%的偏振不敏感超表面透镜对4.8 $μ$ m分布反馈量子级联激光器的中红外辐射进行准直。准直光束具有0.36 $^\circ$的半发散角和$M^2$ =1.02的光束品质因数。
2015-11-25 physics.optics
All-optical scattering control in an all-dielectric quasi-perfect absorbing Huygens metasurface
本文在硅基准完美吸收惠更斯超表面上，通过光热效应实现了对前向和后向散射的全光动态控制，后向散射截面加倍而前向减半，为硅光子器件提供了新方案。
2022-10-03 physics.optics
Controlling the sign of chromatic dispersion in diffractive optics with dielectric metasurfaces
衍射光栅将光分散成彩虹色，其顺序与折射棱镜相反，这种现象称为负色散。虽然折射色散可以通过材料折射率来控制，但衍射色散基本上是由几何形状决定的干涉效应。在这里，我们表明，这一基本属性可以改变使用介电超颖表面，我们实验证明衍射光栅和聚焦镜与积极的，零，和超负色散。这些光学元件使用由介电纳米柱组成的反射超颖表面来实现，所述介电纳米柱提供对相位及其波长导数的同时控制。此外，作为第一个实际应用，我们展示了一个聚焦镜，表现出五倍减少色散，从而增加了几乎三倍的工作带宽相比，一个规则的衍射元件。这一概念挑战了衍射光学器件的普遍接受的色散特性，并扩展了它们的应用和功能。
2017-06-19 physics.optics
Introducing a Symmetry-Breaking Coupler into a Dielectric Metasurface Enables Robust High-Q Quasibound States in the Continuum and Efficient Nonlinear Frequency Conversion
介电超颖表面支持准束缚态的连续（准BIC）表现出非常高的品质因数共振和电场限制。然而，访问准BIC制度的高Q端通常需要从BIC条件略微扭曲超颖表面设计，将所需的纳米级制造精度推向极限。这项工作介绍了一种新的概念，用于产生高Q准BIC，它强烈放宽了这一要求，通过将一个相对较大的微扰元素接近高对称点的一个未失真的BIC元表面，作为耦合器的辐射连续。我们通过在椭圆形圆盘超颖表面单元格中由300 nm间隙分离的两个反射对称点之间添加直径为$\sim$ 100 nm的圆柱体来验证这种方法，使用磷化镓作为电介质。我们发现，高Q共振出现时，圆柱形耦合器被放置在任何位置之间的对称点。我们进一步探讨这种超颖表面的二次谐波产生能力在光学范围内。将耦合器从BIC条件下位移全直径，产生破纪录的归一化转换效率>10 $^{2}$ W $^{-1}$。在BIC元表面中的多个高对称点之间包围破坏性元素的策略可以应用于在许多几何设计中构造鲁棒的高Q准BIC。
2022-04-14 physics.optics
