Discrete Huygens' Metasurface: Realizing Anomalous Reflection and Diffraction Mode Circulation with a Robust, Broadband and Simple Design
由亚波长单元组成的超颖表面通常需要大量的单元,这导致了复杂的设计和优化。元表面中的积极离散化可以显著减少一段时间内的单位单元的数量,从而导致对相位和/或表面阻抗覆盖的较低要求。此外,放大的单位单元在组合在一起时将遇到可忽略的相互耦合,因此使超表面设计的过程变得简单。这些优点结合起来允许设计一类新颖的超表面,其支持电磁(EM)波在宽带宽和操作角上的高效重定向。此外,积极离散化的超表面可以实现诸如衍射模式循环的功能,这些功能在其连续对应物中是不受支持的。本文提出了一种简单的透射超颖表面,它可以通过将入射角为-45,0,45 °的平面波分别折射成折射角为0,45,-45 °的平面波来实现衍射模循环。在28 GHz的设计频率下,每种反常折射的功率效率均大于80%,3 dB功率效率带宽为11%。制作了超颖表面并进行了测量,实验结果与模拟结果吻合较好。
2022-01-12 physics.app-ph physics.optics
Characterization of Broadband Focusing Microwave Metasurfaces at Oblique Incidence
我们报告的特性消色差聚焦超颖表面在斜入射角。我们发现,除了由于超颖表面的双曲线相位轮廓而发生的固有离轴像差之外,由于超原子的角色散,聚焦性能显著降低。为了深入了解元原子的角度和光谱带宽如何与元表面聚焦性能相关,使用了点偶极子模型,该模型结合了元原子角度响应的不同方面。需要强调的是,尽管元原子是在假设它们支持单个偶极共振的情况下设计的,但元原子几何结构内存在其他共振,并且在斜入射时变得更强。这些共振干扰了设计的相位和振幅响应,导致在较高入射角下的较低聚焦效率。高阶模式的建模导致与实验测量的良好一致性,证实了元原子的角色散是确定离轴像差的主要机制。
2020-12-02 physics.app-ph physics.optics
Dielectric Metasurface for Generating Broadband Millimeter Wave Orbital Angular Momentum Beams
携带轨道角动量(OAM)的电磁波有许多应用。本文报道了一种宽带毫米波OAM发生器,它采用了在低折射率衬底上分布高折射率介质元件的介质超颖表面。适当调整介电元件的尺寸可以使宽带OAM发生器从53 GHz到70 GHz。设计了不同模式数的OAM发生器,并进行了仿真验证。这种结构可以在高容量通信和成像中找到潜在的应用。
2018-01-19 physics.app-ph
Electrically driven reprogrammable vanadium dioxide metasurface using binary control for broadband beam-steering
共振光学相控阵是一种很有前途的方式,以达到完全可重构的超表面在光学和近红外制度,低能耗,低足迹和高可靠性。连续可调谐谐振结构具有固有的缺点,例如低相位范围、幅度-相位相关性或极端灵敏度,这使得在单个元件水平上的精确控制非常具有挑战性。为了绕过这些问题,我们使用1位(二进制)控制波束转向的创新纳米谐振器天线,并探讨这种相控阵列的理论能力。提出了一种基于二氧化钒夹在金属-绝缘体-金属结构中的热现实结构,并使用逆向设计进行了优化,以提高其在1550 nm处的性能。利用二元控制成功地实现了90°范围内的连续波束转向,与基于相控阵理论第一原理描述的预测非常一致。此外,实现了从1500 nm到1700 nm的宽带响应。还证明了设计制造缺陷的鲁棒性。这种简化的方法可以被实现以基于用于各种功能的其他材料或相移机制来优化可调谐纳米光子相控阵超颖表面。
2022-06-13 physics.app-ph physics.optics
Broadband Tunable Deep-UV Emission from AI-Optimized Nonlinear Metasurface Architectures
针对非线性超表面优化设计算力不足的问题,提出融合CNN与LSTM的AI工具NanoPhotoNet-NL,将设计速度提升四个数量级,实现了200-260nm宽带可调深紫外发射,推动非线性光学纳米器件发展。
2025-06-12 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
Time-varying metasurfaces for broadband spectral camouflage
在过去的几十年里,使物体对探测器不可见的可能性已经成为一个相当感兴趣的话题。到目前为止,大多数研究集中在通过在空间域中重塑电磁散射来降低可见度。事实上,通过在时域中操纵电磁散射,也可以降低物体的可见性。重要的是,不同于以前的研究相位切换屏幕和随时间变化的超颖表面,其中的效果是窄带由于色散谐振,微波频率范围内,我们引入了一个宽带可切换的超颖表面集成与p-i-n二极管。超颖表面的反射相位可以在76%的分数带宽上改变约π。通过在时域中准随机地调制超颖表面,入射窄带信号在反射时被扩展成类白噪声频谱,从而产生频谱伪装。所提出的时变超颖表面的宽带特性可以为各种应用提供实际的见解,包括雷达隐身和超宽带无线通信。
2019-11-24 physics.app-ph
Metasurfaces with Interleaved Electric and Magnetic Resonances for Broadband Arbitrary Group Delay in Reflection
超颖表面在通常限于0-2 $π$的撞击电磁波上赋予相位不连续性。在这里,我们表明,他们可以摆脱这种限制,并提供任意大的相位调制超宽的带宽。这是通过在电和磁片导纳中实现多个适当布置的谐振来实现的。我们展示了超颖表面,可以完美地反映宽带脉冲赋予规定的群延迟,而不会扭曲脉冲形状,打开新的可能性,时间控制和色散工程在深亚波长的物理尺度。
2019-02-04 physics.app-ph
Broadband Low-Frequency Near-Perfect Sound Absorber via Coupled Metasurfaces
通过耦合超材料设计宽带低频近完美声吸收器,利用双谐振器结构实现高效宽带吸收,无需复杂多谐振器组装。
2025-11-27 physics.app-ph physics.optics
Hybrid ultrathin metasurface for broadband sound absorption
针对低频宽带吸声难题,提出含四个耦合平面卷曲谐振器与薄平面腔的混合超表面设计,在深亚波长厚度下实现两倍于传统单层超表面的吸声带宽,为高性能超薄吸声超表面设计提供新路径。
2024-03-01 physics.app-ph
Field-driven nonlinear metasurface: self-adaptive transition between high-selectivity transmission and broadband shielding
College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology(国防科技大学电子科学学院);Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University(空军工程大学空天防御学院)
针对电磁环境复杂对电子信息系统可靠性的挑战,提出场驱动非线性超表面,通过构建可重构混合耦合拓扑实现传输与屏蔽模式自适应转换,实验获高选择性通带和宽带屏蔽,提升了射频前端系统电磁保护性能。
2026-07-27 physics.app-ph physics.optics
Synergizing Deep Learning and Phase Change Materials for Four-state Broadband Multifunctional Metasurfaces in the Visible Range
本文首次提出将深度学习逆向设计与VO₂和Sb₂S₃两种相变材料级联相结合,实现可见光范围四态宽带多功能超表面,同时具备消色差偏转、分束、聚焦和吸收四种功能。
2024-07-28 physics.app-ph physics.optics
Broadband ultra-thin acoustic metasurface absorber
我们从理论和实验上提出了两种宽带低频声超颖表面吸收器的设计方案(样品I/样品II),频率范围为458 Hz ~ 968 Hz和231 Hz ~ 491 Hz(大于1倍频程),吸收大于0.8,超薄厚度分别为5.2cm和10.4cm(最低工作频率λ/15,最高工作频率λ/7.5)。所设计的超原胞由16个不同的单胞组成,对应于16个本征共振频率。多个谐振的耦合导致在目标频谱的整个范围内的宽带吸收效应。特别地,我们提出将梯度变化通道和线圈结构相结合,以实现同时的阻抗匹配和最小的占用空间,从而导致超表面吸收体的超薄厚度。我们所构想的超薄型低频宽频吸收体可在噪声控制领域中得到实用的实现和应用。
2019-06-27 physics.app-ph
Ultrathin Broadband Metasurface Superabsorbers from a van der Waals Semimetal
在可见光和近红外(NIR)中工作的超材料和超表面为下一代用于太阳能收集的光电探测器和器件提供了一条有前途的路线。虽然已经证明了许多使用金属和半导体的超材料和超表面,但在可见-NIR范围内的基于半金属的超表面明显缺失。在这里,我们实验证明了宽带超颖表面超吸收剂的基础上大面积,半金属,范德华PtSe 2薄膜与电磁模拟。我们的研究结果表明,PtSe 2是一种可扩展的半金属,同时具有高指数和高消光在整个可见-近红外范围。因此,由电介质间隔物分隔的反射器上的薄膜PtSe 2可以在400-900 nm范围内吸收> 85%的未图案化情况和~ 97%的优化的2D超颖表面,使其成为迄今为止最强和最薄的宽带完美吸收体之一。我们的研究结果提出了一个可扩展的方法,光电探测和太阳能收获,展示了实际效用的高指数,高消光半金属纳米光学。
2022-08-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Reconfigurable Multifunctional Metasurfaces Employing Hybrid Phase-Change Plasmonic Architecture
我们提出了一种混合器件平台,用于创建通过等离子体纳米结构与相变材料碲化锗锑(GST)的集成形成的电可重构超颖表面。通过焦耳加热将GST的相从非晶变为结晶,可以实现来自超颖表面的大范围的响应。此外,通过使用GST的中间相,超颖表面可以在过耦合和欠耦合状态下与入射光相互作用,从而导致固有的宽带响应。通过对基模性质的详细研究,我们证明了在像素级改变GST的晶相能够有效控制关键特性(即,振幅、相位和偏振)。这导致宽带电可调谐多功能元器件的实现,从而实现光束切换、聚焦、转向和偏振转换。这样的混合结构提供了一个高速,宽带,和非易失性可重新配置的范例,电可编程光学器件,如开关,全息图,和偏振计。
2022-08-17 physics.app-ph physics.optics
Deep learning-based design of broadband GHz complex and random metasurfaces
本研究构建MSDCNN深度学习框架,实现三类复杂随机超表面的正向与逆向设计,验证了其比传统全波仿真更高效,同时指出尚无通用DCNN模型适配所有超表面类型。
2021-09-16 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Broadband microwave absorption by logarithmic spiral metasurface
我们建议使用对数螺旋谐振器有效地吸收微波。通过结合它们的尺度不变的几何形状和法布里-珀罗型共振源于基本TM模式,我们实现了微波超颖表面的宽带吸收性能。超表面包括背衬有金属表面的对数螺旋谐振器,并且它可以吸收在6 GHz - 37 GHz的频率范围内的>95%的入射微波能量。我们讨论了宽带吸收的物理基础和涡旋能流的关键作用。利用麦克斯韦方程组的标度不变性,为电磁波吸收开辟了一个新的方向。
2019-03-26 physics.app-ph physics.class-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
Broadband Circular-to-Linear Polarization Conversion of Terahertz Waves Using Self-Complementary Metasurfaces
在这项工作中,我们从理论和实验上研究了从圆偏振平面电磁波到线偏振透射一个使用各向异性自互补超颖表面。为此,提出了一种可在亚太赫兹频率下操作的超表面设计,并在230-540 GHz的范围内进行了研究。超表面由交替的互补矩形贴片和图案化在沉积在薄聚丙烯膜上的铝层中的孔组成。术语\textit{self-complementary}意味着模式相对于其反转是不变的(具有一些平移)。我们的研究表明,超颖表面的平移对称性的结果在与圆偏振辐射光束照射下的不寻常的和有用的电磁特性。特别是,随着宽带圆到线性转换,发射波表现出频率无关的幅度,而其偏振角随着频率逐渐变化,为新的分束应用铺平了道路。
2018-07-18 physics.app-ph
Manipulation of Orbital Angular Momentum Spectrum Using Shape-Tailored Metasurfaces
携带轨道角动量的涡旋光束在电磁、光学和量子系统中有着广泛的应用。一个定制的OAM频谱组成的几个特定的模式,如预期持有的承诺,扩大系统的自由度。然而,这样的宽带高纯度定制光谱是难以实现的现有设备,其中宽带振幅操纵尚未被探索。在这项工作中,受调制理论的启发,提出了一种优雅和通用的方法来操纵OAM频谱在宽带宽,通过使用形状定制的元表面。首先,证明了三角形晶格上的旋转亚原子具有比正方形晶格上更小的耦合畸变,这一行为对于Pancharatnam-Berry基超颖表面产生高纯度涡旋谱至关重要.其次,在超颖表面的空间排列和产生的涡旋光束之间建立了普遍的调制关系。最后,通过形状定制的超表面,从理论和实验上证明了宽带调制OAM光谱和梳状OAM光谱。提出的幅度调制方案为在宽带范围内实现OAM频谱的调控提供了一种新的思路和工程实现途径,将促进基于OAM的应用的发展。
2021-01-26 physics.app-ph physics.optics
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
Ultra-broadband acoustic ventilation barriers via hybrid-functional metasurfaces
通风屏障允许同时隔音和自由气流通道是一个巨大的挑战,但对于需要隔音通风的特定场景是必要的。基于局部共振或类范诺干涉的先前工作在共振或相消干涉频率附近提供窄的工作范围。在宽带设计方面所做的努力表明,有限的带宽通常小于半个倍频程。在这里,我们从理论上设计了一个超宽带通风屏障,通过混合耗散和干扰。通过实验证实,我们的混合功能超颖表面的协同效应显著扩大了其工作频率的范围,导致在650 - 2000 Hz范围内有效阻挡90%以上的入射能量,而其结构厚度仅为53 mm $(\sim λ/ 10)$。我们的设计在定制宽带方面表现出极大的灵活性,能够处理来自各个方向的声音,这在透气隔音应用中具有潜力。
2020-10-16 physics.app-ph
Integrated Generalized Sheet Transition Conditions (GSTCs) in a Yee-Cell based Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Simulation of Electromagnetic Metasurfaces
本文提出了一种基于在传统Yee-cell区域内直接引入广义片层跃迁条件(GSTC)的宽带电磁元面时域有限差分(FDTD)模拟方法。这是通过将零厚度超颖表面插入Yee单元区域的体节点内来实现的,从而产生三种不同的单元配置-对称单元(SC)、非对称单元(AC)和紧密非对称单元(TAC)。此外,使用表现出宽带洛伦兹响应的电和磁表面磁化率来模拟超颖表面。因此,所提出的模型保证了来自元表面的物理和因果响应。几个全波结果显示,并与分析傅立叶传播方法显示出优异的结果相比,为1D和2D场模拟。结果发现,TAC提供了最快的收敛速度与最小的误差之间的三种方法。
2017-06-14 physics.app-ph physics.optics
Broadband Tunable Terahertz Polarization Converter based on Graphene-shaped Metasurfaces
本文提出了一种基于石墨烯超颖表面的宽带可调谐偏振转换器。这种偏振转换器工作在太赫兹(THz)频率区域,利用石墨烯特性的优势,具有可调谐的频率响应。在衬底顶部设计的石墨烯形状的周期性结构被用来将入射波偏振转换到THz频率中的灵活操作频带中的期望目标。在4.86 ~ 8.42THz的宽频带内(带宽分数为54%),偏振转换比大于0.85。所提出的偏振转换器对入射波的角度不敏感,直到40°。使用石墨烯提供了可调谐的频率响应,而不改变所设计结构的几何形状。
2020-11-07 physics.app-ph
Broadband, High-Reflectivity Dielectric Mirrors at Wafer Scale: Combining Photonic Crystal and Metasurface Architectures for Advanced Lightsails
针对星际光帆需米级、超轻、宽带高反射的难题,设计制备了覆盖4英寸晶圆的双层介质光子晶体光帆,实现加速全多普勒波长范围>70%反射,米级质量仅几克,为星际探索提供关键技术支撑。
2023-12-07 physics.app-ph physics.optics
Multispectral Polarization-Insensitive Graphene/Silicon Guided Mode Resonance Active Metasurfaces
本文提出基于导模共振滤波器的CMOS兼容石墨烯/硅有源超表面,实现高消光比、窄线宽与偏振不敏感特性,并利用石墨烯宽带吸收实现多光谱操作与热光调谐,推动可调滤波器等硅基光器件发展。
2024-12-22 physics.app-ph 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
Broadband multilayer metasurface absorbers with MXene resonators and topology optimized substrates
Duke University(杜克大学)
本研究提出利用MXene共振器和拓扑优化3D打印基板设计宽频多层超材料吸收体,以提高吸收性能。
2026-02-28 physics.app-ph
Extremely broadband ultralight thermally emissive metasurfaces
我们报告了超轻高发射超光子结构的设计、制造和表征,其具有创纪录的低质量/面积,在宽光谱(2至35微米)和角度(0-60度)范围内有效地发射热辐射。该结构包括一到三对交替的纳米尺度的金属和介电层,并已测得的有效300 K半球发射率为0.7至0.9。据我们所知,这些结构,这是所有亚波长的厚度是最轻的报告超颖表面具有可比的红外发射率。优越的光学性能,以及它们的机械柔性,低释气和低面积质量,表明这些超表面是要求超轻柔性结构的应用中的热管理的候选者,包括航空航天应用,超轻光电子学,轻质柔性电子器件和用于隔热的纺织品。
2017-10-09 physics.app-ph
Broadband Huygens' Metasurface Based on Hybrid Resonances
最近,一类特殊的惠更斯表面已经被提出,它能够操纵透射波前,同时在很宽的频率范围内表现出高透明度。在这项工作中,我们提出并研究了一种新的元原子实现惠更斯表面的宽带透明基于两个相互移动的开口环谐振器。使用新开发的分析模型仔细优化了谐振器,使它们的电和磁响应平衡,以实现入射场的单向散射。此外,它们的相互位移抵消了它们的电感耦合,使得两个响应在相同的频率下共振,并且元原子不表现出磁电耦合。在微波范围内的数值和实验验证了解析预测的宽带透明度以及频率相关的相移的传输波的全覆盖范围内的$360\degree$。该超颖表面可用于对称高效的偏振转换和分束,并为其他有趣的应用开辟了道路。
2018-04-20 physics.app-ph
High-efficiency broadband active metasurfaces via reversible metal electrodeposition
Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago(芝加哥大学普里茨克分子工程学院);Department of Electrical and Computer Engineering, Northwestern University(西北大学电气与计算机工程系);Thomas Lord Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Duke University(杜克大学托马斯·洛德机械工程和材料科学系)
通过可逆金属电沉积技术实现高效宽带主动超材料,用于动态光束控制与高效率光热设备开发。
2025-04-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Silicon-on-sapphire metasurfaces generate arrays of dark and bright traps for neutral atoms
University of Wisconsin-Madison(威斯康星大学麦迪逊分校);Argonne National Laboratory(阿贡国家实验室)
本文提出利用蓝宝石上晶体硅超表面将高斯光束转换为复杂光阱阵列,包括暗阱和亮阱,并改进Gerchberg-Saxton算法实现三维瓶状光束设计,为中性原子捕获提供可扩展、低噪声的集成解决方案。
2026-05-26 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Active spintronic-metasurface terahertz emitters with tunable chirality
本文提出一种超表面图案化磁性多层异质结构的新型激光驱动太赫兹发射器,结合自旋电子与超表面优势,实现宽带太赫兹波的可调手性产生与矢量操控。
2021-05-25 physics.app-ph physics.optics
Trapping light in air with membrane metasurfaces for vibrational strong coupling
本文提出自支撑Si膜中红外超表面,利用布里渊区折叠激发高Q准BIC谐振,在空气空隙中实现强光捕获,并演示了与PMMA分子的振动强耦合,为可扩展中红外光子器件和量子相干应用开辟新途径。
2024-10-22 physics.app-ph physics.optics
Spectrally-tunable Dielectric Grating-based Metasurface for Broadband Planar Light Concentration
由于城市化,建筑物的能源消耗正在快速增长,而由可再生能源供电的净零能源建筑提供了一种绿色和可持续的解决方案。然而,摩天大楼和多层建筑的屋顶空间有限,这对太阳能光伏组件的大规模集成提出了挑战。传统的光致发光解决方案,如硅太阳能电池板,阻挡了可见光进入建筑物,使它们无法覆盖所有建筑物表面。在这里,我们展示了一种新型的电介质超颖表面(基于氮化硅光栅)作为平面光集中器。我们将该功能器件集成到透射可见光的窗户玻璃上,同时将太阳光的近红外部分(NIR)引导到玻璃窗户的边缘,在那里它可以通过小型PV模块转换为电力。利用光栅设计的灵活性,我们调整光谱,使近NIR阳光部分的引导,并实现偏振独立性证明使用有限差分时域模拟。实验上,我们观察到在NIR区域(700-1000 nm)中约5.25%的光导效率,使得大部分可见光部分被透射用于自然室内照明。将太阳能电池集成在窗户边缘,我们发现在面积为25 mm 2的原型上,近红外光的功率转换效率约为4.2%。我们确认,大部分的损失是由于吸收,散射和制造的不均匀性在大面积上,可以在未来进一步优化。这种结合了可再生能源发电、室内照明和建筑围护结构减少的功能性窗户可以缓解现代城市的城市热孤岛问题。
2018-07-11 physics.app-ph physics.optics
Low-frequency broadband acoustic metasurface absorbing panels
通过深亚波长结构获得的宽带吸声对于噪声控制界特别是对于室内声学中的极低频率(20-100 Hz)具有极大的兴趣。耦合多个不同的谐振单元已经成为实现宽带吸声的有效策略。本文报道了一种低频宽带(50-63 Hz,1/3倍频程)、高吸收(平均吸收系数约93%)、近全向(0°-75°)声学超颖表面吸收体的分析、数值和实验研究,该超颖表面吸收体由4个厚度为15.4 cm(50 Hz波长的1/45)的耦合单元组成。这种深亚波长结构的吸收是由于晶胞之间的强耦合而发生的,这是通过仔细设计每个晶胞的几何参数来实现的,特别是对每个晶胞的横向尺寸的明智分配。为了进一步拓宽带宽(50-100 Hz,一个倍频程),分析研究了一种由19个单胞耦合成一个超级单胞的设计,在20 cm厚(50 Hz时波长的1/34)下,在宽角度范围(0°-75°)内实现了85%的平均吸收系数。两个额外的自由度,超胞的横向尺寸和在超胞中的单位细胞的数量,被证明,以促进这种因果最优设计,这是接近理想的因果最优性。所提出的设计方法可以解决长期存在的问题,低频吸收在室内声学。
2020-02-13 physics.app-ph
Enhanced Optical Kerr Effect in Metasurfaces Featuring Arrays of Rotated Rectangular Holes via Trapped-Mode Resonances
本研究通过三维时域有限差分模拟,发现基于磷化镓超表面的非BIC陷阱模式共振可将光学克尔效应增强至体材料的700倍,且对结构无序具有高鲁棒性,适用于反射型非线性光学器件。
2025-10-09 physics.app-ph physics.optics
Wide-scanning Circularly Polarized Reflector-based Modulated Metasurface Antenna Enabled by a Broadband Polarizer
本文提出了一种具有频率扫描功能的圆极化漏波天线。其主要目标是实现高增益和偏振纯度,而无需复杂的馈电网络。该天线由两个独立模块组成:(1)各向异性调制超颖表面天线(MoMetA),用于产生垂直极化辐射,工作扫描范围为19至47度仰角;(2)具有高角度稳定性的宽带极化转换器,能够将垂直线极化转换为圆极化(CP)。该天线采用孔径场估计方法设计,无需全波仿真就能高精度地预测远场方向图。天线在16 ~ 21 GHz带宽内的增益优于18 dBi。仿真结果表明,在整个工作频带内,最大增益方向的轴比均小于3dB,说明该偏振器工作正常。为了验证仿真结果,制作了一个天线样机,并在电波暗室中测量了其辐射方向图
2020-07-20 physics.app-ph
Metasurfaces for neutral-atom trapping
University of Wisconsin-Madison(威斯康星大学麦迪逊分校);Infleqtion
本文综述了光学超表面作为实现精细光场控制的技术,通过远超空间光调制器的像素数,展示了具有数十万个位点的光镊阵列和复杂三维捕获轮廓的光瓶束阵列,为小型化、集成化和高度可扩展的原子实验与仪器提供了途径。
2026-09-29 physics.app-ph physics.atom-ph physics.optics
Polarization Decoupling Multi-Port Beam-Splitting Metasurface for Miniaturized Magneto-Optical Trap
提出一种基于传播相位和几何相位的多端口分束超表面及反射扩束超器件,构建了小型化磁光阱的集成六光束传输系统,实现了高均匀性、高偏振纯度和大重叠体积,推动了冷原子技术的便携化应用。
2025-04-03 physics.app-ph physics.optics
Electro-Optical Switching in a Nonlinear Metasurface
本文展示了一种结合电学和光学切换的高可调谐非线性超表面器件,通过电可调混合石墨烯-金等离激元将中红外脉冲转换为可见光,实现了比纯石墨烯强3.5倍的电学调制和太赫兹速率的全光切换,为超快信号处理等新应用开辟了道路。
2024-07-23 physics.app-ph physics.optics
Electrically Reconfigurable Nonvolatile Metasurface Using Low-Loss Optical Phase Change Material
有源超颖表面承诺可重构光学器件,与传统的大块对应物相比,具有大幅提高的紧凑性、坚固性、可制造性和功能性。光学相变材料(O-PCM)以其大的折射率对比度和非易失性开关特性为有源超颖表面器件提供了一种有吸引力的材料解决方案。在这里,我们报告我们认为是第一个电可重构的非易失性超表面的基础上O-PCM。该器件中使用的O-PCM合金Ge 2Sb 2Se 4 Te 1(GSST)独特地结合了巨大的非易失性折射率调制能力,宽带低光损耗和大的可逆开关体积,从而能够显着增强活性O-PCM介质内的光-物质相互作用。利用这些有利的属性,我们展示了连续可调的有源超颖表面,具有创纪录的半倍频程光谱调谐范围和超过400%的大光学对比度。我们进一步制作了一个偏振不敏感的相位梯度超颖表面,以实现动态光束转向。
2020-09-02 physics.app-ph physics.optics
Trapping of Single Atoms in Metasurface Optical Tweezer Arrays
Columbia University(哥伦比亚大学)
本研究展示了通过全息超材料生成的光学镊阵列,实现了超过1000个锶原子的捕获,具有高均匀性和任意几何排列能力,为大规模量子应用提供支持。
2025-08-11 cond-mat.quant-gas physics.app-ph physics.atom-ph
Graphene Reflectarray Metasurface for Terahertz Beam Steering and Phase Modulation
我们报道了一种太赫兹反射阵列超颖表面,它使用石墨烯作为有源元件,以实现光束转向,整形和宽带相位调制。这是基于电压控制的可重构相位全息图的创建,其可以向入射光束赋予不同的反射角度和相位,从而取代用于太赫兹成像的笨重且易碎的旋转镜。这也可以在电磁波谱的其他领域找到应用,为多功能光学设备铺平道路,包括光雷达,自适应光学,电光光调制器和屏幕。
2018-06-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
60-nm-span wavelength-tunable vortex fiber laser with intracavity plasmon metasurfaces
波长可调谐涡旋光纤激光器能够产生携带轨道角动量(OAM)的光束,在大容量光通信中具有重要的应用价值。然而,由于窄带宽和/或模式转换部件的插入损耗,传统涡旋光纤激光器的波长可调谐性受限于35 nm的范围。光学超颖表面除了是紧凑的平面部件之外,还可以在宽波长范围内以高效率灵活地操纵光。在这里,我们提出并证明了第一次,尽我们所知,超表面辅助涡旋光纤激光器,可以直接产生OAM光束与可变拓扑电荷。由于设计了宽带带隙表面等离子体超颖表面,结合腔内可调谐滤波器,该激光器可实现中心波长在1015 ~ 1075 nm范围内连续可调谐的OAM光束,几乎是以往报道的其他涡旋光纤激光器的两倍。超颖表面可以任意设计以满足激光器的低泵浦阈值或高斜率效率的要求。此外,腔-超颖表面配置可以被扩展以在不同波长区域中生成更高阶的OAM光束或更复杂的结构化光束,这极大地拓宽了开发低成本和高质量的结构化光束激光源的可能性。
2022-07-12 physics.app-ph physics.optics
Ultra-wideband Reflection-type Metasurface for Generating Integer and Fractional Orbital Angular Momentum
由于涡旋光束在微波和光通信信道容量扩展方面的巨大潜力,携带轨道角动量的涡旋光束得到了广泛的研究。利用Pancharatnam-Berry相位概念,提出了一种超宽带单层超颖表面,实现了从入射平面波到反射涡旋光束的转换,覆盖了6.75 ~ 21.85 GHz的带宽。提出了一种结合宽带相移网络的等效电路模型,有效地设计了超表面中的元原子。这是第一次设计具有相位特性的宽带超颖表面。为了验证所提出的模型,提出了一些变形的方环亚原子来构建具有宽带OAM特性的超表面。此外,还分别产生了整数阶(l = -3)、分数阶(l = -1.5)和高阶(l = -10)OAM模式的涡旋光束。基于OAM谱分析,详细讨论了涡旋波的模式纯度。实验结果与仿真结果吻合较好,证明了该方法的有效性和实用性。
2019-11-04 physics.app-ph physics.class-ph
Resonant Anti-Reflection Metasurface for Infrared Transmission Optics
本研究提出利用Mie共振纳米光子超表面增强硅在长波红外的透射,相比同厚度无图案硅最高提升40%,并通过成像与MTF测量验证其应用价值。
2023-06-08 physics.app-ph physics.optics
Tunable on-chip optical traps for levitating particles based on single-layer metasurface
本文提出并实验验证了一种基于单层超表面的片上光阱,以高效率(31%)和高数值孔径(0.9)形成可调谐双势阱,实现多个纳米粒子长时间稳定悬浮,为并行悬浮传感和扩展光力器件奠定基础。
2024-01-16 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Chiral sensing with achiral anisotropic metasurfaces
最近,我们提出了一种用于手性传感的超颖表面设计,其(i)对于均匀且可访问的区域上的亚波长手性样品,导致增强的手性光学信号超过两个数量级,(ii)允许对总手性的完整测量(实部和虚部的大小和符号),以及(iii)提供了关键信号反转(具有反转偏振的激发)的可能性,其使得能够以绝对方式进行手性测量,即,而不需要移除样品。我们的设计是基于超颖表面的各向异性响应,而不是在大多数当代基于纳米光子的手性传感方法中所产生的近场的超手性。在这里,我们推导分析,并验证数值,简单的公式,提供洞察的传感机制,并解释各向异性超颖表面,一般来说,提供额外的自由度相对于他们的各向同性同行。我们提供了一个详细的讨论,我们提出的设计的关键功能和好处,我们展示了实用的测量方案的明确确定一个未知的手性。最后,我们提供了宽带操作的设计原则-从近红外到近紫外频率-开辟了高灵敏度的纳米级手光学光谱。
2021-03-18 physics.app-ph physics.optics
Extreme Low-Frequency Ultrathin Acoustic Absorbing Metasurface
我们引入了一种多线圈声学超颖表面,在50 Hz的极低频率下提供准完美的吸收(在实验中达到99.99%),同时具有低至λ/527(1.3 cm)的厚度。与现有技术相比,该原始构思的多线圈超表面提供了能够在不增加总厚度的情况下有效地调谐声阻抗的附加自由度。我们对这种独特的吸收体概念进行了理论推导、数值模拟和实验验证,并讨论了其打破四分之一波长谐振腔理论的物理机制。此外,基于相同的概念方法,我们提出了一个宽带低频超颖表面吸收耦合单元表现出不同的属性。
2019-08-05 physics.app-ph
Three-dimensional, multi-wavelength beam formation with integrated metasurface optics for Sr laser cooling
本文提出利用集成在熔融石英基板上的六个毫米级超构表面光学器件形成复杂的多波长三维激光束构型,无需庞大的自由空间光学器件即可实现Sr原子的磁光阱,为紧凑型Sr光晶格钟的研发提供了高效集成方案。
2024-02-14 physics.app-ph physics.atom-ph physics.ins-det
Controlling thermal emission with metasurfaces and its applications
本文综述超表面如何在波长、偏振、角度和相干性等自由度上调控热辐射,并总结其在红外传感、辐射制冷与热光伏器件中的应用进展。
2024-01-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Tunable Asymmetric Acoustic Absorption in Ventilated Metasurfaces
King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)(阿卜杜拉国王科技大学)
本文提出一种可调高效非对称通风声学系统,通过异质谐振器实现强非对称性,达到99%吸收和98%反射,并通过旋转实现声学开关功能。
2026-04-02 physics.app-ph
Broadband time-modulated absorber beyond the Bode-Fano limit by energy trapping
宽带吸收是微波工程中的一个热门话题,以保护敏感器件免受宽带源的影响。然而,Bode-Fano准则定义了所有无源、线性、时不变系统的带宽和效率之间的权衡。在这封信中,我们提出了一个宽带吸收超过Bode-Fano限制通过创建一个能量陷阱使用时间调制开关/二极管。这项工作从一个理想的电路模型开始,以证明这一概念,其次是两个EM实现-频率选择性表面(FSS)的方法,一般带宽展宽和低剖面PCB设计。后者的原型是建立和测量,展示了一个Bode-Fano积分大于1。这种方法为许多实用的超宽带吸收体设计铺平了道路。
2021-10-04 physics.app-ph