Parallel-Plate Waveguides Formed by Arbitrary Impedance Sheets
在这项工作中，我们介绍和研究的平行板波导结构，形成两个可穿透的超颖表面具有任意的薄层阻抗。我们研究了在这种结构中传播的导模，并导出了相应的色散关系。不同的情况下，包括串联和并联谐振阻抗片被认为是。所得到的理论公式被应用到预测的色散特性的不同分离之间的两个对称或不对称的超颖表面。
2019-01-15 physics.app-ph
Broadband operation of active terahertz quarter-wave plate achieved with vanadium-dioxide-based metasurface switchable by current injection
我们展示了一个可切换的太赫兹四分之一波片的宽带操作实现了采用二氧化钒的活性超颖表面。为此，我们利用各向异性变形的棋盘结构，它提出了与深调制兼容的宽带特性。此外，超颖表面集成了电流注入电路，以实现状态切换，该注入电路也可以用来监测二氧化钒的电状态。我们估计的斯托克斯参数来自实验的透射光谱的制造超颖表面和确认的螺旋度开关的圆偏振波附近的设计频率为0.66太赫兹。相对带宽被评估为0.52，这是4.2倍，比在以前的研究。
2020-09-02 physics.app-ph physics.optics
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
A multiple scattering formulation for finite-size flexural metasurfaces
我们提供了一个解析公式来模拟弹性波在均匀半空间中的传播，该半空间支持薄板阵列。该技术提供的位移场之间的相互作用所产生的入射波的谐波源和由弯曲运动的板引起的散射场获得。由每个板产生的散射场计算使用一个特设组的格林函数。入射场和散射场之间的相互作用是通过一个多散射配方建模。由于多重散射形式主义的引入，所提出的技术可以处理一组通用的板任意排列在半空间表面上。通过与考虑Rayleigh波与单个薄板和一组薄板相互作用的有限元模拟进行比较，验证了该方法的有效性。我们的框架可用于研究垂直极化表面波和弯曲谐振器在不同的工程背景下的相互作用，从新颖的表面声波器件的设计到城市振动问题的解释。
2021-10-13 physics.app-ph
Perfect Anomalous Reflection with a Binary Huygens' Metasurface
在本文中，我们提出了一种新的元表面，能够反射一个已知的传入电磁波到任意方向，具有完美的功率效率。这个看似简单的任务，我们在下文中称之为完美的异常反射，实际上是非常不平凡的，因为不同的波阻抗和入射波和反射波之间的复杂干扰。因此，所提出的实现完美异常反射的超颖表面需要复杂的深亚波长和/或多层元件结构，其允许它们耦合到泄漏波和/或倏逝波以及从泄漏波和/或倏逝波耦合。相比之下，我们证明，使用二元惠更斯超颖表面（BHM）-一个被动和无损的超颖表面，每个周期只有两个细胞-完美的异常反射可以在很宽的角度和频率范围内实现。在24 GHz的频率下，通过仿真和实验，我们证明了设计合理的BHM可以将入射电磁波从$θ_i = 50^\circ$反射到$θ_r = -22.5^\circ$，并具有理想的功率效率，达到了实验精度。
2018-01-15 physics.app-ph
Broadband switchable terahertz half-/quarter-wave plate based on a graphene-metal hybrid metasurface
本文提出一种石墨烯-金属混合超表面，通过调节石墨烯费米能级在太赫兹波段实现半波片与四分之一波片的宽带动态切换，共享带宽达0.52 THz，相对带宽50%，可应用于太赫兹传感、成像和电信。
2022-07-04 physics.app-ph physics.optics
Perfect Plane-Wave to Surface-Wave Coupler Enabled Teleporting Conformal Metasurfaces
本研究提出一种无源无损耗共形超表面设计技术，通过伴随变量法优化阻抗片，实现平面波到表面波的完美转换及场的空间瞬移，可应用于通信、能量收集等多领域。
2023-06-16 physics.app-ph physics.optics
Aerogel-based metasurfaces for perfect acoustic energy absorption
二氧化硅气凝胶板的不寻常的粘弹性特性被有效地用于设计亚波长完美吸声体。我们从理论上，数值模拟和实验报告了一个完美的吸收超材料面板周期性排列的谐振积木组成的狭缝加载由一个封闭的空腔支持的夹持气凝胶板。使用反射系数的Argand图分析阻抗匹配条件，即，反射系数的轨迹作为复平面中频率的函数。系统中损耗的不足或过量可以通过该Argand图来识别，以实现阻抗匹配条件。该工具的通用性可以进一步用于设计更复杂的超材料表面以实现完美的吸声，从而允许快速设计新颖且高效的吸收超材料。
2019-06-12 physics.app-ph
A Leaky-Wave Antenna With Controlled Radiation Using a Bianisotropic Huygens' Metasurface
在本文中，提出了一种新的概念的漏波天线，使用惠更斯的超曲面的基础上。它由平行板波导组成，其中顶板由欧米茄型的双各向异性超表面代替。它表明，有一个精确的解决方案，以转换成泄漏模的导模与任意控制的常数泄漏因子和指向。虽然该解决方案原来是周期性的，只有一个Floquet模式被激发和辐射，即使是长时间的电气。由于固有的杂散Floquet模式抑制，可以实现宽边辐射，而不会有任何退化。理想电抗片的仿真验证了这一概念。此外，考虑到损耗的影响等方面，已经提出并设计了与PCB制造兼容的物理结构。最后，两个原型的实验结果和讨论。
2018-11-08 physics.app-ph
Topological edge states of quasiperiodic elastic metasurfaces
在这项工作中，我们研究的动力学行为和准周期弹性元表面的拓扑性质，即阵列的机械振荡器安排在一个弹性半空间的自由表面根据准周期的空间分布。一个特设的多次散射公式来描述瑞利波和一个通用的表面谐振器阵列之间的动态相互作用。该方法允许计算准周期性元表面的固有频率的频谱，其揭示了让人想起霍夫斯塔德蝴蝶的频率间隙的分形分布。这些间隙具有非平凡的拓扑性质，并可以托管类瑞利边缘模式。我们证明，这种拓扑保护的边缘模式可以驱动从一个边界到相反的阵列的相位子，一个参数，调制的阵列的几何形状的平滑变化。基于这些原理设计的拓扑弹性波导为表面声波工程中的振动控制、能量收集和无损信号传输等提供了新的机会。
2022-05-01 physics.app-ph
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
Steering Flexural Waves by Amplitude-Shift Elastic Metasurfaces
作为具有亚波长结构的二维材料，弹性超表面显示出通过人工边界条件任意操纵弹性波的能力。然而，目前的超颖表面的应用前景可能会受到其相位调制边界的限制。在这里，我们提出了下一代的弹性超颖表面，另外将振幅偏移调制。通过对惠更斯-菲涅耳原理的修正，提出了超颖表面控制目标波场的一般理论。作为例子，两个幅移元表面的弯曲波在薄板上进行：一个是转换成高斯光束的柱面波通过精心制作的振幅和相移，另一个是聚焦入射的振幅调制。这些例子与理论计算、数值模拟和实验测试吻合得很好。这项工作可能是设计超颖表面的基础，可以完全控制导行弹性波，并可能扩展到更复杂的应用，如模拟信号处理和全息成像。
2020-09-01 physics.app-ph
Bandwidth Limit and Synthesis Approach for Single Resonance Ultrathin Metasurfaces
超颖表面已经成为一种用于在薄层内操纵电磁波的有前途的技术。在平面超颖表面中，存在严格的窄带设计方法，其基于电介质衬底上的图案化金属层的等效表面阻抗。在这项工作中，我们得到了在这些元表面上可实现的带宽的限制，基于约束，他们的元原子应该是被动的，因果的和无损的，并且他们应该遵守一个单一的共振结构的时间带宽产品的规则。结果表明，除了涉及表面阻抗的变化的基本设计参数，带宽是由介质基板的厚度和介电常数的严格限制。然后，我们提出了一种合成方法的宽带超颖表面，所需的表面阻抗的LC谐振配合的基础上，并在毫米波频率的宽带色散结构的实验验证。相对于使用窄带设计过程创建的参考超颖表面，这导致超过90%的带宽增强。
2020-07-03 physics.app-ph physics.optics
Spatial Wave Control Using a Self-biased Nonlinear Metasurface at Microwave Frequencies
近年来，超颖表面的研究已经扩展到利用非线性进行波控制。在所有的方法来实现可调超颖表面的多重性能，非线性是有前途的选择之一。虽然已经报道了几种在可见频率下获得非线性结构的建议，但在微波超颖表面上以无源设计的形式并入非线性的区域是开放的。本文提出了一种被动宽带非线性超表面，它是由L形和Γ形亚原子嵌入PIN二极管元件构成的。所提出的自偏置非线性超颖表面具有两种工作状态：在低功率强度下，它在13.24 GHz至16.38 GHz的频率范围内充当四分之一波片（QWP），轴比（AR）超过21.2%。相比之下，在高功率强度下，通过使用所提出的基于PIN二极管的元原子的偏振转换特性，超表面可以充当数字超表面。这意味着通过将超原子以一定的编码模式排列，超表面可以操纵散射光束，并在8.12 GHz到19.27 GHz的超宽频率范围内合成众所周知的图案，如漫射图案（BW=81.4%）。进行了全波和非线性模拟，以证明宽带非线性元表面的性能。我们期望所提出的自偏置非线性超颖表面在微波频率揭示了极好的机会，设计限制器超颖表面和紧凑的可重构成像系统。
2020-07-13 physics.app-ph
Localized modes on a metasurface through multi-wave interactions
在本文中，我们描述了本地化状态的表现形式，通过相干和非相干分析的扩散弹性波场内的二维超材料制成的收集的垂直长梁粘在一个薄板。我们表明，局部化状态出现时，由于多波相互作用在梁板附件梁作为耦合谐振器的超表面上的压缩和弯曲共振。由于梁的低品质因数压缩共振，在主带隙内，系统的模态密度下降到梁的高品质因数弯曲共振附近，并且阻挡波场强度的扩散过程。这个实验在物理上突出了这种二维超材料在局部区域的紧束缚耦合。
2019-12-12 physics.app-ph physics.class-ph
Fluid-loaded metasurfaces
我们考虑波沿流体加载的结构，它采取的弹性板的形式增加了一个阵列的谐振器形成一个元表面，也就是说，一个表面结构与亚波长谐振器。这样的表面已经有相当大的最近成功的控制波在电磁和声学中的传播，通过结合亚波长波操纵的视觉，与设计，制造和尺寸的优势与表面激发。我们探讨了最近在这一领域的兴趣的一个方面：分级超颖表面，但在流体加载结构的上下文中。渐变超颖表面允许选择性的空间频率分离，并且通常被称为表现出彩虹捕获。实验和理论，已经开发了声学，电磁，甚至弹性，彩虹设备，但这还没有接近流体加载的结构，支持表面波耦合的声场在一个散装流体。这种表面波与流体耦合，可用于通过设计超表面以将模式从表面波转换为体波来产生附加效果。我们证明了亚波长控制是可能的，并且可以为流体加载的弹性板模型创建彩虹捕获和模式转换现象。
2017-05-18 physics.app-ph physics.class-ph
Nonlocal elastic metasurfaces: enabling broadband wave control via intentional nonlocality
虽然弹性超颖表面提供了一个显着的和非常有效的方法来控制应力波的亚波长，它们在实际应用中的使用是严重阻碍了固有的窄带性能。这项工作引入了有意的非局部性的概念，作为一个基本机制，设计被动弹性超颖表面能够非常宽带的工作范围。非局部行为是通过利用非局部力来实现的，在概念上类似于非局部材料微结构中的长程相互作用，形成超表面的共振单元格的子集之间。这些远程力是通过精心制作的柔性元件获得的，其特定的几何形状和局部动力学设计用于在多个单元之间创建非常复杂的传递函数。由此产生的非局部耦合力，使实现相位梯度剖面的入射wavenumber的函数。相关的设计参数的识别和评估其对性能的影响进行了探讨，通过半解析和数值模型相结合。通过在薄板波导中嵌入全内反射设计，对非局部超颖表面概念进行了数值和实验测试。结果证实了有意非局部设计概念的可行性和实现完全被动和宽带波控制的能力。
2020-02-24 physics.app-ph
Exploration of Intercell Wireless Millimeter-Wave Communication in the Landscape of Intelligent Metasurfaces
软件定义的元表面是电磁超薄的人工组件，可以提供工程和外部可控的功能。对这些功能的控制通过超表面可调谐性来实现，超表面可调谐性通过局部修改表面电阻和电抗的嵌入式电子电路来实现。在元表面单元内集成控制器，能够相互通信和自适应地重新配置它，从而赋予所需的电磁操作，打开了创建人工智能（AI）结构的道路，其中每个单元单元可以具有自己的传感，可编程计算和致动设施。在这项工作中，我们朝着将人工智能元表面技术引入新兴应用迈出了关键一步，特别是探索在软件定义的HyperSurface中的无线毫米波单元间通信能力，该HyperSurface设计用于微波领域。我们研究三种不同的无线通信通道内的景观反射超表面：首先，在层中的控制电子设备的HyperSurface谎言，其次是一个专用的层之间封闭的两个金属板，第三，内部的超表面本身。对于每种情况下，我们检查的毫米波转发器节点的物理实现，我们量化的通信信道指标，我们确定的复杂性与性能的权衡。
2020-01-22 physics.app-ph
Total-internal-reflection elastic metasurfaces: design and application to structural vibration isolation
本文提出了全内反射超颖表面（TIR-MS）的概念，它支持实现结构嵌入的亚波长声屏蔽弹性波在薄波导中传播。所提出的超表面设计利用经由局部谐振元件实现的极端相位梯度，以便实现大大超过临界角的操作条件。这种人工不连续性能够产生入射波的完全反射，而不管特定的入射角如何。从实际的角度来看，TIR-MS表现为在选定的频率下对长波长模式不可穿透的声硬屏障。TIR超颖表面概念首先被设想为嵌入矩形波导中的平坦界面，并且被设计为阻挡纵向S 0型导模。然后，它被扩展到圆形板，以显示如何封闭的区域可以有效地屏蔽入射波。给出了相同的物理基础，一个等效的动力学行为也数值和实验说明弯曲A0型导模。这项研究表明，数值和实验证据表明，当超颖表面被激发在目标频率，显着的振动隔离，可以实现在存在的波具有任何任意角度的入射。这些结果打开有趣的路径，以实现振动隔离和能量过滤在某些原型结构的实际工程应用的兴趣。
2018-10-28 physics.app-ph
Elastic wave control beyond band-gaps: shaping the flow of waves in plates and half-spaces
众所周知，在超材料中，局部共振和杂化现象会极大地影响色散曲线的形状;由一组共振器（亚波长棒）在弹性表面上形成的超表面是具有这些特征的范例。在这个超颖表面上，带隙、慢波或快波、负折射和动态各向异性都可以通过探索Floquet-Bloch问题的频率和波数以及使用布里渊区来观察。这些极端特性在适当设计时可用于设计和控制弹性波沿超颖表面的传播。对于我们考虑的范例，两个参数很容易调整：杆高度和集群周期性。的高度是直接相关的带隙频率，因此慢波和快波，而周期性的动态各向异性的外观。利用这两个参数可以生成一系列元表面设计，以控制板中的弯曲波和半空间的表面瑞利波的传播。关于频率和波长的管理物理定律的可扩展性允许这些概念在非常不同的领域和在很宽的长度尺度范围内的应用。
2017-05-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.class-ph
Method for Extracting the Equivalent Admittance from Time-Varying Metasurfaces and Its Application to Self-Tuned Spatiotemporal Wave Manipulation
嵌入非线性电子的波形选择超颖表面具有自调谐的时变响应特性，在区分不同脉冲宽度的电磁波等方面有着广泛的应用。然而，到目前为止，它们仅利用空间均匀的散射轮廓来实现。在这里，通过将元表面建模为时变导纳片，我们提供了一种预测元表面时域响应的分析计算方法。这允许以等效片导纳的形式导出设计规范，这在合成具有时空控制的元表面中是有用的，例如以实现具有规定的时间相关衍射特性的元表面。作为一个例子，基于所提出的等效导纳片建模，我们合成了一个波形选择菲涅耳波带片，其焦距取决于入射脉冲宽度。所提出的脉宽相关元表面的合成方法可以扩展到设计具有更复杂的时空波操纵的元表面，有益于诸如传感、无线通信和信号处理的应用。
2022-09-27 physics.app-ph physics.optics
Extreme Beam-forming with Impedance Metasurfaces Featuring Embedded Sources and Auxiliary Surface Wave Optimization
我们提出了端到端的设计紧凑的无源和无损元表面（MTS）天线与集成的饲料。完整的低剖面系统由一个单层电抗性阻抗MTS组成，MTS印刷在接地的电介质基板上，并由嵌入基板内部的源馈电。建立了基于体积-表面积分方程的器件模型，为器件性能的快速优化提供了依据。优化的设计利用由阻抗MTS支持的定制辅助表面波来跨其孔径分布局部源功率。这有助于实现极端场变换，如广角波束形成或共享孔径波束形成，孔径效率接近100%。该程序还允许任意波束成形与完整的主波束和旁瓣控制。我们还得到了几个可行性相关的约束，这可以显着提高功率效率，以及MTS天线的带宽时，他们在实践中实施。全波数值模拟证实了所提出的方法的有效性，以及极端场的综合设计转换能力。
2021-12-23 physics.app-ph physics.optics
Control of Orbital Angular Momentum Regimen by Modulated Metasurface Leaky-Wave Antennas
在本文中，我们提出了调制超颖表面漏波天线（MMLWA）的设计过程中产生的涡旋光束的同轴叠加与几个轨道角动量（OAM）状态。基于平面光学（FO）技术和孔径场估计（AFE）方法，提出了一个分析框架，以促进实施MMLWA产生多个拓扑电荷的OAM方案。此外，使用的频谱分析，这已来自所提出的模型，我们已经表明，孔径形状的对称性可以影响模式的纯度。此外，完美对称的圆形形状被引入作为高纯度涡流产生的理想选择。这种具有嵌入式双馈的单孔径天线可以是更复杂的涡旋波束发生器（诸如螺旋相位板和圆形天线阵列）的适当替代方案。
2021-10-23 physics.app-ph physics.optics
Slit-Induced Reflection Mode Conversion Between Fundamental Lamb Modes in Elastic Plates with Low-Frequency and Broadband Response
School of Mathematics and Physics, China University of Geosciences（中国地质大学数学与物理学院）
该研究通过引入倾斜真空狭缝，在弹性板中实现基模 Lamb 模式的低频高效转换与宽带操作，具有可调性和鲁棒性。
2026-01-13 physics.app-ph
Graded metasurface for enhanced sensing and energy harvesting
在弹性波系统中，在结构化表面阵列内结合共振和空间分级的强大概念使得共振超表面能够表现出宽带波聚焦、从表面（瑞利）波到体（剪切）波的模式转换以及空间频率选择。围绕这些概念构建的设备允许精确控制表面波，通常具有亚波长的结构，并利用彩虹捕获，通过频率在空间上分离信号。彩虹捕获在每个频率分量累积的谐振器位置处产生大的位移放大。我们调查这种放大，以及相关的控制，是否可以用来创建能量收集设备;被认为是使用分级谐振设备作为能量收集器的潜在优点和缺点。我们专注于A0模式占主导地位的弹性板模型，并利用梯度谐振阵列的杆的大位移振幅，设计创新的超表面，聚焦波增强压电传感和能量收集。数值模拟使我们能够确定这种渐变元表面设备的优点，并量化其效率，我们还开发了准确的模型的现象，并扩展我们的分析，弹性半空间和瑞利表面波。
2019-07-18 physics.app-ph physics.class-ph
The principle of creating quasiperiodic surfaces under the action of vibrating dielectric matrix
提出了一种使用形成在电介质中的驻波来创建超颖表面的方法。这种超颖表面由金属悬浮液形成，沉积在电介质板上，放置在金属框架-屏幕中。讨论了产生驻波的一系列参数。本文将利用声驻波产生Hladni图形的方法转化为电磁法。给出了该模型的数学描述和研究方法。
2020-06-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.other physics.app-ph
Subwavelength Focusing by Engineered Power Flow-Conformal Metamirrors
在过去的几年里，反射超颖表面已经取得了许多进展，实现了波前的有效操纵，特别是对于平面波。尽管多年来已经开发了许多解决方案，但在不产生额外的不期望的散射的情况下获得亚波长聚焦的实用方法至今仍是一个挑战。本文介绍并讨论了将入射波聚焦成一点的无耗反射器。该解决方案是基于所谓的功率流共形表面，允许理论上任意成形的反射波。超对称反射镜的形状适合于入射波和反射波之和的功率流，允许基于表面阻抗的反射器表面的局部描述。特别是，我们提出了两个方案的研究。首先，我们研究了场由点源发射并聚焦在像点（在所考虑的示例中，具有λ/20分辨率）的情况。其次，我们分析了能够聚焦照明平面波功率的元表面。这项工作为各种应用提供了可行的策略，包括检测皮肤附近的生物信号，用于癌症治疗的灵敏功率聚焦以及点对点功率传输。
2021-08-25 physics.app-ph physics.optics
A Laser Phase Plate for Transmission Electron Microscopy
针对透射电镜低衬度问题，提出激光相位板，利用法布里-珀罗腔增强激光实现π/2相移，首次观测有质动力势相对论反转，并实现稳定无损耗成像与结构解析。
2024-03-15 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Localising elastic edge waves via the topological rainbow effect
我们结合两个不同的领域，拓扑物理学和梯度超材料，设计一个拓扑超表面控制和重定向弹性波。我们战略性地设计了一个二维晶体穿孔弹性板，使用正方形晶格，%由钻孔组成，主机的拓扑诱导边缘状态。通过同时允许弹性基底在空间上变化的深度，我们能够将入射慢波转换成一系列鲁棒模式，具有不同的包络调制。这种绝热转变将进入的能量局部化到集中区域中，然后可以在该集中区域中阻尼或提取能量。对于较大的过渡，观察到不同的行为，传入的能量沿界面传播，然后被分割成两个不同的手性光束。这种“拓扑彩虹”效应利用了两个主要概念，即量子谷-霍尔效应和通常与电磁超材料相关的彩虹效应。拓扑彩虹效应超越了特定的物理系统，因此，我们所描述的现象可以移植到其他波动物理中。由于弹性能量的方向可调性几何我们的结果有深远的影响，如开关，过滤器和能量采集器的应用。
2020-11-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
