Designing Thermoplasmonic Properties of Metallic Metasurfaces
表面等离子体激元最近已被用于产生热纳米粒子，其强度可以例如利用激发辐射的波长来调谐。在本文中，我们提出了通用的分析和数值研究的三维计算的复杂平面阵列的金属颗粒的温度上升。在特定的情况下，细长粒子维持横向和纵向等离子体激元模式，我们显示了一个简单的温度上升控制周围介质时，把入射偏振。这种形式主义，然后用于设计新的热等离子体元表面的纳米级的热通量和温度梯度的遥控。
2018-04-03 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Ultrathin All-Angle Hyperbolic Metasurface Retroreflectors Based on Directed Routing of Canalized Plasmonics
回射器可以精确地将自由空间中的入射波沿着其原始通道重新定向，这为无线通信中的光操纵提供了前所未有的机会。然而，据我们所知，现有的方法设计的回射器遭受要么笨重的尺寸，窄的角度带宽，或耗时的后处理。在这里，提出了一种基于双曲等离子体元表面的全角度和全角度回射器的设计方案，并进行了实验验证。该方案的物理机制是自由空间中的行波与双曲等离子体元表面上的管道化欺骗表面等离子体之间的高效全角度跃迁。在这种情况下，强约束特性受益于增强的光-物质相互作用，使我们能够路由和回射的渠道SSP与极端的反射结构。作为该方案的验证，设计并制作了厚度近似等于中心波长的后向反射器原型。进一步的实验研究获得了83.2%的最大效率和53°的半功率视场。该方案可以在目标检测、遥感和各种片上光控器件中找到有前途的应用。
2022-01-11 physics.app-ph physics.optics
Simplified equivalent circuit approach for designing time-domain responses of waveform-selective metasurfaces
在这项研究中，我们展示了简化的等效电路模型，以有效地近似最近报道的波形选择性元表面的响应，区分不同的电磁波，即使在相同的频率取决于它们的波形或脉冲宽度。与传统的等效电路模型，表示普通的元表面在“频率”域的行为相比，所提出的模型使我们能够解释波形选择性元表面在“时间”域中的响应。我们的方法不仅很好地估计了波形选择性超颖表面的时间常数，而且还估计了它们的整个时域响应。特别是，这项研究报告的二极管的电阻元件的重要性，以及我们的模型相对于功率依赖性的限制，虽然仍然有效地工作时，波形选择机制清楚地表现出足够大的输入功率的模型。因此，所提出的等效电路模型的想法不仅有助于更好地理解波形选择机制，而且有助于促进这种独特结构的设计过程。
2020-05-04 cond-mat.other physics.app-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
A New Strategy for Designing Dual-band Antennas Based on Double-layer Metasurfaces
提出基于双层超表面的双频平面天线设计新策略，利用Foster电抗定理实现层间解耦，独立设计各金属层，并数值验证了气候科学应用的双频圆极化天线。
2023-07-29 physics.app-ph
Transfer Learning for Inverse Design of Tunable Graphene-Based Metasurfaces
针对传统电磁超表面功能单一的问题，提出采用迁移学习训练两个卷积神经网络，分别完成石墨烯基可调谐超表面的无源结构设计与调谐化学势预测，高效实现多功能可重构超表面逆向设计，为未来无线通信系统的可重构智能表面设计提供新方案。
2023-07-20 physics.app-ph
Gate-tunable emission of exciton-plasmon polaritons in hybrid MoS2-gap-mode metasurfaces
二维光学纳米谐振器阵列（称为超颖表面）的设计进展目前正在实现各种各样的新型平面光学部件。该技术提供的对电磁场的显着控制可以进一步扩展到主动状态，以便实时操纵光特性。在这方面的贡献，我们耦合激子共振的原子薄二硫化钼单层与间隙表面等离子体（GSP）超颖表面，并证明选择性增强激子等离子体极化激元发射。我们进一步证明了可调发射通过控制界面上的电荷密度，通过在MOS结构的电门控。跨越两个非常活跃的研究领域，这种电可调发光超颖表面的演示能够在极端的亚波长维度上实时操纵光与物质的相互作用。
2019-07-12 physics.app-ph physics.optics
Observation of Non-Vanishing Optical Helicity in Thermal Radiation from Symmetry-Broken Metasurfaces
自旋热辐射是在包括Wolf-Rayet星EZ-CMa和红简并星G99-47在内的凝聚天体中观测到的一种独特现象，这是由于强磁场的存在。在这里，我们通过设计非零断裂超颖表面，证明了即使不施加磁场，也可以实现具有非零光学螺旋度的自旋热辐射。我们设计非零的光学螺旋度的工程无色散带发出全向旋转的热辐射，我们的设计达到39%的基本限制。我们的结果坚定地表明，超颖表面可以赋予自旋相干的非相干辐射激发的热涨落。基于量子力学的设计策略也为综合控制热辐射的时间相干性和自旋相干性提供了一条通用途径。
2023-01-07 physics.app-ph physics.optics
Multifunctional Meta-Optic Systems: Inversely Designed with Artificial Intelligence
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）
平面光学预示着超紧凑光学器件的新时代，超表面作为基础。超颖表面的传统设计以某种结构作为原型开始，随后是广泛的参数扫描以适应出射光的相位和振幅的要求。无论计算量有多大，预定义的结构都很难实现对极化、频率和空间信道的独立控制，这阻碍了超表面的多功能潜力。此外，实现复杂和多功能要求设计具有多个级联层的元表面的元光学系统，这引入了超指数复杂度。在这项工作中，我们提出了一个人工智能框架设计多层元光学系统的多功能功能。我们展示了偏振复用双功能光束发生器，全光计算的二阶微分器，和空间偏振波长复用全息图的例子。这些例子几乎无法通过单层元表面实现，也无法通过传统的设计过程实现。
2020-06-30 cs.LG physics.app-ph physics.optics
Design of Beamforming, Transparent Metasurfaces Using Integral Equations
本文提出一种基于积分方程的透射型超表面设计方法，实现完美透射与波前调控，相比局部周期性近似具有更好的准直性，并通过多个示例和有限元求解器验证了其通用性与准确性。
2023-09-18 physics.app-ph physics.optics
Designing Metagratings Via Local Periodic Approximation: From Microwaves to Infrared
最近，超材料启发的衍射光栅（或超衍射光栅）已经通过相对简单的结构在波前操纵中展示了前所未有的效率。传统的一维（1D）光栅在一个方向上具有轮廓调制，而在另一个方向上具有平移对称。在1D metagratings中，平移不变方向被设计在亚波长尺度上，这允许人们精确地控制偏振线电流，从而控制散射图案。与超颖表面形成鲜明对比的是，超颖聚集不能通过表面阻抗（或局部反射和透射系数）来描述。在本文中，我们提出了一种基于模拟的设计方法来构建元迁移的“单元电池的单元电池”的方式。它代表了一个模拟的局部周期近似，已被用于设计空间调制的元表面，并允许一个克服的限制，直接的数值优化和半解析程序，已被用于设计metagratings。电和磁的metagrating结构响应，分别，横向电和横向磁入射平面波，以验证所提出的设计方法。
2019-04-19 physics.app-ph physics.optics
Analytical Framework to Model Reconfigurable Metasurfaces including Lumped Elements
本文提出一种基于Floquet模态展开和等效电路的分析框架，用于高效建模包含集总元件的可重构超表面，适用于宽带斜入射及衍射区，并通过CST验证了其在设计射频微波器件方面的潜力。
2023-07-17 physics.app-ph physics.optics
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
Design of reconfigurable Huygens metasurfaces based on Drude-like scatterers operating in the epsilon-negative regime
本研究提出基于负介电常数区类Drude散射体的可重构惠更斯超表面设计，通过电偶极与四极共激满足广义Kerker条件实现全透射，为波束转向器件的可重构集成提供新途径。
2024-03-22 physics.app-ph physics.optics
Wavelength-Agnostic Metasurface Design for Next-Generation 2D Photodetectors
该研究探索了结合协方差矩阵自适应优化与严格耦合波分析（RCWA）的复合方法，逆向设计二维光子晶体超表面，实现选定波长/模式下近完美吸收，为高性能二维超表面基器件（如量子技术组件）提供计算高效的设计方案。
2024-11-28 physics.app-ph physics.optics
Angular-asymmetric transmitting metasurface and splitter for acoustic wave: a combining of the Coherent Perfect Absorber and Laser
相干完全吸收体（CPA）与激光器是一对满足时间反演关系的反向工作波结构。我们指出，如果CPA吸收的波能以某种方式回收，再由相应的激光器重新发射，它们的组合就可以成为一种将波能从一个地方“移动”到另一个地方的控波装置。通过将CPA和Laser的概念从以前研究的一维非Hermitian系统扩展到二维系统，这种理解被用来简化本文中的元表面的设计。作为例子，角度不对称的透射超颖表面和分波器，其作为来自两个相反倾斜角度的波的完美发射器/回射器，并将入射波分别分成具有任意幅度比和相位差的两个方向，通过组合两件单独设计的CPA来构造。这一思想不仅可以大大简化元表面的设计，而且可以在元表面和非厄米系统之间架起一座桥梁。
2019-08-29 physics.app-ph physics.class-ph
Efficient inverse design of large-area metasurfaces for incoherent light
针对非相干光光学器件设计计算量大的问题，提出基于互易技术的方法，将散射计算加速三个数量级，实现了大面积超表面的高效逆向设计与优化。
2025-04-10 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Semianalyitcal synthesis scheme for multifunctional metasurfaces on demand
我们提出了一个全面的领域为基础的半分析方法设计制造准备多功能周期性元表面（MS）。利用最近的工作多元素metagratings的基础上的电容加载条，我们已经扩展了我们以前的元原子设计配方，以产生现实的基板支持的印刷电路板布局的异常折射MS。随后，我们应用贪婪算法迭代优化整个宏周期的单个散射体，以实现多个设计目标，对应的多个入射角与一个单一的MS结构。商业求解器验证，建议的半解析方案，适当占近场之间的各种散射体的耦合，可以可靠地产生高效的多功能MS的需求，而不需要耗时的全波优化。
2021-03-07 physics.app-ph
Deep-learning design of graphene metasurfaces for quantum control and Dirac electron holography
本研究开发了用于狄拉克材料石墨烯超表面设计的深度学习框架，实现了超95%保真度的散射波重构，验证了狄拉克电子全息的可行性，并拓展了相关应用场景。
2024-05-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
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
Design of Compact Huygens' Metasurface Pairs with Multiple Reflections for Arbitrary Wave Transformations
惠更斯的超颖表面已经证明了在亚波长区域内进行波变换的巨大潜力。特别是，ω-双各向异性惠更斯的超表面允许被动实现任何波变换，局部保存真正的权力。先前的报告还表明，惠更斯的超颖表面对能够实现变换，通过重新分配总功率来打破局部功率守恒的要求，而波在两个超颖表面之间传播。然而，所需的分离距离掩盖了各个超表面的低轮廓特性，并导致笨重的设计，特别是对于较低的频率。在这项工作中，我们开发了一种方法来设计ω-双各向异性惠更斯的超颖表面对，依赖于一个点匹配过程中的两个超颖表面的真实功率。我们突出了我们的方法的多功能性，提出了两种变化的配置，这取决于电磁源是否位于内或外的元表面对。基于柱面波到平面波变换和扩束器的例子，我们研究了多次反射的影响，作为克服尺寸限制和设计紧凑结构的一种方法。此外，我们探索可能的波束成形应用程序通过泰勒模式天线的例子，两个元表面之间的一个单一的馈电点。
2020-03-30 physics.app-ph
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
Experimental and Numerical Validation of Tape-Based Metasurfaces in Guiding High-Frequency Surface Waves for Efficient Power Transfer
本文提出一种基于胶带的超表面设计，通过将高频信号引导为表面波而非自由空间波来提升功率传输效率，数值与实验均验证其优于传统方法，为6G和7G高能效通信系统设计提供支持。
2024-03-15 physics.app-ph
Comparison Between Different Designs and Realizations of Anomalous Reflectors
本文比较了不同设计方法的异常反射器，分析了其在反射效率、角度响应和频率带宽等方面的表现，为超材料设计提供了参考。
2023-01-03 physics.app-ph physics.optics
Self-biased Tri-state Power-Multiplexed Digital Metasurface Operating at Microwave Frequencies
近年来，利用非线性为实现多路复用性能打开了未知领域的大门。虽然已经努力在可见光频率下获得不同的非线性架构，但仍有空间将非线性并入微波超颖表面的设计中。本文提出了一种基于功率强度的双波段无源超表面。这里，功率复用性能是通过在编码粒子中嵌入PIN二极管来实现的。所提出的数字元表面具有三种操作状态：1）它在低功率强度下充当正常反射器，而在高功率入射照射时提供双波段非线性响应，其中2）它在f1=6.7 GHz处完全吸收辐射，3）通过在f2=9.37 GHz处以一定的编码图案排列元原子来重新分布散射光束。所设计的三态编码元件的非线性性能的特征在于使用的散射参数在全波模拟中捕获的非线性二极管的精确模型参与。微波自偏置超颖表面的出现，在不同功率水平的照射下具有智能反应，为设计智能窗户，智能伪装涂层表面等提供了巨大的机会。
2019-10-16 physics.app-ph
Designing high-performance propagation-compressing spaceplates using thin-film multilayer stacks
超颖表面的发展已经使平板光学器件具有前所未有的便携性和功能性。最近引入了间隔板作为补充元件，以减少单个超透镜之间的空间。这将进一步使整个成像设备小型化。然而，空间板需要非局部光学响应-取决于光场的横向空间频率分量-因此设计它们并评估其最终性能和潜力都具有挑战性。在这里，我们采用逆向设计技术来探索一般的薄膜为基础的空间板的行为。我们观察到这样的设备的压缩因子R和数值孔径NA之间的权衡;我们获得了一个压缩因子R = 5.5的设备与NA = 0.42高达记录R = 340与NA为0.017。我们的工作表明，即使是由逼真的材料组成的简单设计（即，硅和玻璃）允许用于单色应用的有能力的间隔板。
2021-06-23 physics.app-ph physics.optics
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
Constrained tandem neural network assisted inverse design of metasurfaces for microwave absorption
本研究提出基于约束串联神经网络的逆向设计方法，用于多层超表面微波吸收体的结构与材料参数优化，支持软约束优化厚度，并实现接近因果性极限的宽带吸收体设计。
2023-11-23 physics.app-ph
Monolithic Elastic Metasurface Design for Advanced Wave Manipulation via a Direct Wave-Shaping Topology Optimization Approach
本文提出直接波形拓扑优化方法，设计高性能单体弹性超材料，实现高效率波转换、大角度波束控制及高数值孔径金属透镜，显著提升波操控性能。
2025-12-12 physics.app-ph
Level set methods for gradient-free optimization of metasurface arrays
提出周期水平集函数及配套伪逆上采样方法，将离散超表面阵列设计映射到连续空间，在窄带与宽带目标下均优于碎片化参数化，并通过实物测量验证。
2023-07-14 eess.SP physics.app-ph
Analytical design of acoustic metasurface cells incorporating meander-line and Helmholtz resonators
本文提出用曲折线元件替换部分亥姆霍兹谐振器，在亚波长体积内实现所需阻抗，从而突破侧向耦合谐振器设计的限制，并通过3 kHz透镜数值验证了改进的宽带聚焦性能。
2025-04-11 physics.app-ph
Deep Inverse Design of Reconfigurable Metasurfaces for Future Communications
可重构智能表面（RIS）作为智能无线电环境和自适应无线信道的构建模块，最近受到了极大的关注。通过改变空间和时间变化的电磁（EM）特性，RIS将无线环境的固有随机性转变为可编程的传播信道。传统上，设计RIS以产生期望的EM响应需要通过迭代地研究各种几何形状和材料的大可能性，通过数千次全波EM模拟来试错。在这种情况下，深度学习（DL）技术在降低RIS逆向设计的计算成本和时间方面至关重要。DL模型不是显式求解麦克斯韦方程组，而是通过监督训练数据学习基于物理的关系。此外，生成对抗网络被证明可以合成以前在文献中看不到的新型RIS设计。本文简要介绍了用于反向RIS设计和优化的DL技术，以产生未来无线网络所需的目标EM响应。
2021-01-22 eess.SP physics.app-ph
Machine Learning for Metasurfaces Design and Their Applications
超表面（MTS）越来越多地成为满足对多功能、小形状因子、高效、可重构、可调谐和低成本射频（RF）组件的需求的使能技术，因为它们能够通过修改的边界条件来操纵亚波长厚度中的波。它们使可重构智能表面（RIS）的设计，可适应的无线信道和智能无线电环境，其中固有的随机性质的无线环境被转换成一个可编程的传播信道。特别是，空间有限的RF应用，如通信和雷达，有严格的辐射要求，目前正在研究潜在的RIS部署。RIS包括亚波长单元或元原子，其被独立地控制并且其几何形状和材料确定RIS的光谱响应。传统上，设计RIS以产生期望的EM响应需要通过成千上万的全波EM模拟迭代地研究各种几何形状和材料的大可能性来试错。在这种情况下，机器/深度学习（ML/DL）技术在降低RIS逆向设计的计算成本和时间方面至关重要。DL模型不是显式求解麦克斯韦方程组，而是通过监督训练数据学习基于物理的关系。ML/DL技术还有助于许多无线应用的RIS部署，这需要处理基站（BS）和用户之间的多个信道链路。结果，BS和RIS波束形成器需要联合设计，其中RIS元件必须被快速重新配置。本章简要介绍了反向RIS设计和RIS辅助无线系统的DL技术。
2022-11-02 eess.SP physics.app-ph stat.ML
Deep learning approach based on dimensionality reduction for designing electromagnetic nanostructures
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）
在本文中，我们展示了一种基于深度学习（DL）技术的计算效率高的新方法，用于分析、设计和优化电磁（EM）纳米结构。我们使用一个通用的EM问题的功能之间的强相关性，大大降低了问题的维数，因此，计算复杂性，而不施加相当大的错误。通过采用降维的概念，使用最近证明的自动编码器技术，我们重新定义了传统的多对一的设计问题，在EM纳米结构到一个一对一的问题加上一个更简单的多对一的问题，这可以简单地解决使用解析公式。这种方法降低了求解正向问题（即，分析）和逆问题（即，设计）的数量级相比，传统的方法。此外，它提供了分析公式，尽管它们的复杂性，可以用来获得直观的理解电磁波与纳米结构的相互作用的物理和动力学与最小的计算要求。作为一个概念验证，我们应用这种有效的方法来设计一类新的按需可重构光学超颖表面的相变材料（PCM）的基础上。我们设想，这种基于DL的技术与全波商业软件包的集成提供了一个强大的工具包，以促进分析，设计和优化的EM纳米结构，以及解释，理解和预测在这样的结构中观察到的响应。
2019-04-17 cs.LG physics.app-ph stat.ML
Design of plasmonic directional antennas via evolutionary optimization
我们展示了反向设计的等离子体纳米天线定向光散射。我们的方法是基于通过格林并矢法和进化优化（EO）的全场电动力学模拟的组合。在没有任何初始偏差的情况下，我们发现EO可重复发现的几何形状与射频天线的工作原理相同。我们证明了我们的方法的多功能性，通过设计不同的散射问题的各种定向光学天线。基于电光的纳米天线设计具有巨大的应用潜力，如纳米级信息路由和处理或单分子光谱学。此外，EO可以帮助导出一般的设计规则，并确定光子纳米粒子和超颖表面的固有物理限制。
2019-08-05 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
