3-D Metamaterials: Trends on Applied Designs, Computational Methods and Fabrication Techniques
超材料是一种人工设计的装置，它超越了自然界中传统材料的特性。超材料允许产生负折射率、用ε近零化合物捕获光、带隙选择、超导现象、非厄米特响应，并且更一般地，操纵电磁波和声波的传播。在过去，低计算资源和缺乏适当的制造技术限制了对1-D和2-D超材料的关注。然而，当与传播方向相关的自由度最终在设计中被利用时，超材料的真正潜力将最终在3-D配置中实现。这有望引领超材料领域进入一个新时代，未来的高速低延迟通信网络将从中受益。在这里，一个全面的概述，过去，现在和未来的趋势有关的3-D超材料设备，重点是高效的计算方法，创新的设计和功能制造技术。
2022-01-31 physics.app-ph physics.optics
Spin-Orbit Angular Momentum Conversion in Metamaterials and Metasurfaces
在过去的几十年里，在操纵光的自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）方面取得了前所未有的进展，使许多应用从经典和量子通信到光学显微镜和超分辨率成像。超表面是人工设计的2D超材料，具有设计的亚波长尺寸构建块，可以精确控制光场，具有无与伦比的灵活性和性能。光学超颖表面的降维实现了新的物理学，并导致与块体材料可实现的功能和应用显著不同的功能和应用。本文综述了近年来光学超颖表面在集成自旋轨道转换（SOC）器件中的应用，并对超颖表面在光的SAM和OAM操纵方面的研究进展进行了综述。
2019-07-25 physics.optics quant-ph
Design of Rectangular Waveguide-fed Metasurfaces for Near-Field Shaping using a Coupled Dipole Model
本研究提出利用耦合偶极子模型设计矩形波导馈电超材料表面，实现近场形状的精确控制。
2025-11-20 physics.app-ph physics.optics
Hyperbolic spoof plasmons in layered equivalent graphene metasurfaces
石墨烯等离子体的进步为设计和制造各种纳米电子器件和其他令人兴奋的光学器件提供了许多机会。但是，由于材料性能的限制，其工作频率不能下降到微波范围。在这项工作中，微波等效石墨烯的新概念的基础上的单层等离子体超颖表面的提出和证明。基于这一概念，理论上可以通过周期性地堆叠等效石墨烯超颖表面来获得椭圆和双曲色散。作为概念和方法的证明，设计并数值演示了椭圆形和全金属双曲超材料。作为该方法的具体实现，制备了一种实用的双曲型超材料，并通过定向传输和光子自旋霍尔效应验证了该方法的有效性。此外，为了研究该方法在极端参数条件下的有效性，设计并制作了一个概念验证超透镜，其近场分辨率为0.05 $λ$的实验验证。基于所提出的概念，不同的光学石墨烯超材料，如调焦镜，色散相关的定向耦合器，和ε近零材料也可以在微波区实现。
2020-06-12 physics.app-ph physics.optics
Transformation optics based on metasurfaces
最近，已经提出了新的人工材料来控制电磁波-超表面，一种二维超材料。与三维大块超材料相比，这种具有亚波长厚度的人造平面材料大大减少了制造时间并降低了制造复杂度。此外，传统的超材料通常通过在远大于波长的距离处传播来累积相位来控制电磁波的波前。然而，超表面可以仅通过亚波长传播距离有效地操纵入射电磁波的波前。因此，这可以极大地减轻传播损耗。鉴于超颖表面在近场区域对电磁波具有高操纵效率的事实，我们小组研究了使用超颖表面模拟重力的实验工作。
2019-07-11 physics.optics
Extreme Metasurfaces Enable Targeted and Protected Wireless Energy Transfer
随着超材料的出现，控制材料的电磁特性超越自然物质的电磁特性已经成为现实，超材料是人工设计的材料，提供了广泛的不寻常的物理现象。超材料提供的极端特性可以保护光学和电磁系统免受周围普通材料和物质的影响-这是一种从未明确使用过的功能。无线能量传输，即，电磁能量的传输无需物理连接器，需要可靠和稳定的解决方案，为电动汽车等高功率系统充电，而不会对人，动物，植物等产生影响。在这里，我们解决了这个具有挑战性的问题，并提出了一种使用具有极端参数的超材料的新方法，以实现有针对性和受保护的无线能量传输。我们设计并实验实现了ε-近零（ENZ）和ε-和μ-近零（EMNZ）的超材料，当且仅当发射器和接收器都配备了这些超材料，提供能量传输。不存在具有这种极端参数的材料的事实保护系统免受周围物体的影响，这些物体既不会引起系统操作的明显变化，也不会受到任何有害影响。通过适当的缩放和适当的材料选择，所提出的方法背后的系统可以在几乎任何频带中实现。这项技术将在有针对性的无线能量传输系统中找到应用，特别是在需要高功率的地方，包括电动汽车。
2022-02-10 physics.app-ph physics.optics
Tunable Focusing by a Flexible Metasurface
提出了一种聚焦点可调的高效反射弹性超颖表面。该超表面基于嵌入在可拉伸弹性基底中的电谐振器。通过施加到样品的拉伸来控制焦距。理论和数值模拟预测的结果进行了实验验证。我们的建议表明，智能工程弹性超材料是一个有效的平台，新的功能器件的基础上的超材料。
2016-04-17 physics.optics
Broadening the Bandwidth of Metamaterial Cloaks with Non-Foster Metasurfaces
我们介绍了宽带的概念和实际设计，基于非福斯特，负电容超颖表面的隐身衣。通过使用适当定制的，主动频率选择屏幕共形的对象，在实际实现的领域内，示出，使在微波制度，数量级比任何可用的被动隐身技术更广泛的宽的频率范围内的散射大大减少。主动隐身衣不仅对隐身和隐身有重要影响，而且对实际的天线和传感应用也有重要意义。
2013-06-25 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Direct and High-Throughput Fabrication of Mie-Resonant Metasurfaces via Single-Pulse Laser Interference
具有Mie型电和磁共振的高折射率介电超颖表面在诸如成像、传感、光致发光等各种应用中引起了极大的兴趣，这导致了高效的大规模制造技术的必要性。为了解决这个问题，在这里，我们演示了使用单脉冲激光干涉直接图案化的非晶硅薄膜成阵列的米氏谐振器。所提出的技术基于激光干涉诱导的去湿。激光脉冲能量的精确控制使得能够在跨越数十微米的区域中制造有序的介电超颖表面，并且由单个激光发射的数千个半球形纳米颗粒组成。所制造的纳米粒子表现出与波长相关的光学响应与强电偶极子签名。预沉积的硅膜厚度的变化允许在目标可见光和红外光谱范围内定制谐振。这种直接和高产量的制造铺平了道路，以一个简单的实现空间不变的超表面为基础的设备。
2020-03-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Meta-Gratings: Beyond the Limits of Graded Metasurfaces for Wavefront Control
渐变超颖表面利用由阻抗梯度赋予的局部动量来变换撞击波前。这种方法受到整体转换效率的根本限制，并且受到最大空间分辨率的制造限制的挑战。在这里，我们介绍了元光栅的概念，它可以实现任意波前工程与单一的效率和显着降低的要求的制造精度。我们采用这个概念来设计反射超颖表面的波前转向没有限制的效率。一个类似的方法被设想用于传输光束和任意波前变换，为极端波操纵的高效超颖表面打开了有希望的机会。
2017-05-10 physics.app-ph physics.optics
Design of Conformal Array of Rectangular Waveguide-fed Metasurfaces
提出了一种系统的矩形波导馈电超颖表面圆柱共形阵列的设计方法。共形超表面由多个弯曲的矩形波导组成，该波导加载有插入波导的上导电壁中的超材料元件\textemdash电小膜片\textemdash。每个元件将能量辐射到自由空间中以有助于整体辐射图案。因此，需要定制各个超材料元件中的每一个的几何形状或电配置以生成期望的图案。通常，由于难以对曲率的影响进行建模，共形超表面阵列的设计依赖于全波仿真或实验。在这项研究中，我们提出了一种设计方法，利用一个平面的超材料表面占超材料元件的位置和方向的曲率表面的分析模型。虽然近似的，我们证明了这样的改变与平面元件的偶极建模的框架可以用于分析具有小曲率的共形阵列。然后，我们使用该方法结合CMA-ES优化器设计了一个共形阵列元表面。通过数值仿真，我们证实了所提出的设计方法的有效性。应用包括雷达、通信和汽车和飞机成像系统的元表面设计。
2021-08-27 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Design, fabrication, and spectral characterization of TM-polarized metamaterials-based narrowband infrared filter
双曲超材料作为一种非磁性各向异性人工结构，在一个方向上表现出金属特性，在正交方向上表现出介电特性。本项目提出的双曲型超材料滤波器设计为金属丝网垂直于介质材料的交替层，保持TM中心波长不变，对于不同角度的入射光在M波段。这种纳米结构的几何尺寸小于工作波长，并且由于双曲色散而支持大的波矢量。与传统的布拉格叠层相比，铜法克尔床使滤波器的传输特性相同。为此目的，需要最先进的制造方法来在非晶硅和二氧化硅的交替层中制造这种小尺寸。在这项工作中，首先，我们演示了模拟布拉格堆栈与RCWA和有限元方法。然后，我们专注于我们的第一次多步光刻方法用于制造过滤器。最后，我们利用傅里叶变换红外光谱实验验证所制作的滤光片的光学特性。实验和光谱数据表明，双曲超材料滤波器的传输特性保持相同的倾斜TM偏振入射光。
2022-01-17 physics.app-ph physics.optics
Terahertz Metamaterials with Semiconductor Split-Ring Resonators for Magnetostatic Tunability
我们研究了由半导体开口环谐振器周期阵列构成的超表面。通过适当取向的外部静磁场，发现由垂直入射光激发的超颖表面的共振频率在太赫兹范围内是连续可调的。由于这样的超表面可以组装成3D超材料，因此前述结论也适用于包括半导体开口环谐振器的超材料。
2008-07-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.optics
Implementation and Characterization of a Two-Dimensional Printed Circuit Dynamic Metasurface Aperture for Computational Microwave Imaging
我们提出了一个二维的，动态调谐，元表面孔径的设计，制造和实验表征，强调其在计算成像应用中的潜在性能。动态超材料表面孔径（DMA）由一个不规则的平面腔体组成，该腔体馈送大量可调超材料元件，所有这些元件都是在紧凑的多层印刷电路板工艺中制造的。超材料元件作为一个可调辐射器，相关的偏置电路，以及腔参数的设计考虑进行了检查和讨论。一个传感矩阵可以从所测量的发射模式，奇异值频谱提供洞察孔径的信息容量。我们调查的奇异值谱的传感矩阵在各种操作参数，如超材料元素的数量，掩模的数量，和辐射元件的数量。在优化这些关键参数后，我们演示了简单测试对象的计算微波成像。
2019-10-20 eess.IV physics.app-ph physics.optics
Single scattering and effective medium description in multilayer cylindrical metamaterials: Application to graphene and metasurface coated cylinders
涂层和多层涂层圆柱体系统构成了一个有吸引力的超材料类别，因为它们允许非常丰富和高度可调的响应，这是由于所涉及的许多不同几何和材料参数的相互作用。在这里，我们推导并提出了一个有效的介质方法，详细描述和分析的电磁波在这样的系统中的传播。特别是，我们研究无限长的多层圆柱体在每个接口处的额外的电和磁表面电导率。我们的有效介质方法是基于众所周知的固态物理社区相干势近似（CPA）方法，结合传输矩阵为基础的制定柱面波。采用这种有效的介质方案，我们调查两个现实的系统，一个包括由均匀的可调石墨烯片制成的圆柱形管和一个由超颖表面形成的圆柱体/管，表现出电和磁片导电性。这两个系统都显示出丰富的工程电磁特性，包括可调双曲线响应，双负响应和ε近零和μ近零响应区域。
2023-02-16 physics.optics
Towards High Throughput Large Area Metalens Fabrication using UV-Nanoimprint lithography and Bosch Deep Reactive Ion Etching
我们展示了通过使用标准工业高通量硅加工技术来制造用于NIR的衍射限制介电超颖表面透镜：UV纳米压印光刻（UV-NIL）结合连续反应离子蚀刻（RIE）和脉冲Bosch深反应离子蚀刻（DRIE）。随着超颖表面的研究领域走向应用，这些技术作为利用电子束光刻的常用成本密集型制造方法的潜在替代品是相关的。我们发现，由博世DRIE工艺产生的搓板型侧壁表面粗糙度可以在超颖表面的设计中得到补偿，而不会使透镜质量恶化。特别注意的是制造的挑战，必须克服对相关的商业应用的高通量生产。在波长λ = 1.55 $μ$ m和λ = 1.31 $μ$ m时，测得透镜效率分别为30%和17%。针对所遇到的挑战，提出了一些工艺优化路线。
2020-03-21 physics.app-ph physics.optics
Design and fabrication guide for a new metamaterial as an absorber of visible light with exceptionally high absorption efficiency
我们提出了一个指导的CMOS兼容的超材料微结构的设计和制造的可见光的吸收器具有非常高的吸收效率（~98%），波长为400 nm-700 nm。采用基于COMSOL multyphysics软件的有限元法对微结构的结构参数进行了优化。该结构的优化的2D晶胞由4um × 160nm TiN基片和覆盖有70nm厚的二氧化硅（SiO2）的玻璃衬底组成。在SiO2上沉积氮化钛（TiN）带的周期性结构（每个带90 nm厚和2微米宽）。这些带覆盖有40 nm厚的高温介电二氧化铪（HfO2）层，周期为4微米。该单元沿另一维度对称，并沿水平方向周期性地重复。此外，尽管这种微结构针对可见光光谱进行了优化，但其在400 nm至1200 nm的波长光谱上也显示出几乎相似的吸收，约96%的积分吸收。这项调查表明，模拟和实验结果之间的良好协议。
2023-02-27 physics.app-ph physics.optics
Hyperbolic Metamaterial Feasible for Fabrication with Direct Laser Writing Processes
受激发射耗尽显微镜启发的直接激光写入（STED-DLW）工艺可以提供3D结构的衍射无限制造，这是传统电子束或光学光刻不可能的。我们提出了一种双曲超材料与STED-DLW制造。首先，我们设计了具有三种不同磁偶极子的曲折线结构，这些磁偶极子可以在不同的光入射下被激发。然后，根据垂直入射和侧向入射时对应的有效参数，我们发现五层结构在15 ~ 20 THz之间呈现双曲型色散关系。最后，我们研究了有效参数的虚部对超材料色散的影响。尽管几何各向异性，所提出的超材料结构也具有三维各向同性渗透率的潜力。
2015-04-14 physics.optics
Metasurfaces for the Infrared Spectral Range Fabricated Using Two-Photon Polymerization
超颖表面的制造通常耗时且昂贵，涉及复杂的光刻工艺。无掩模制造由矩形Au条组成的超颖表面被报道为合适的替代方案，提供了具有成本效益的超颖表面的快速原型。使用一个简单的三步过程，详细讨论了调查超颖表面制作。制造过程建立了一种简单的方法，用于产生高保真度的2D图案，适合合成用于化学传感，光束转向和完美的反射/透射的超颖表面。全面的偏振敏感反射数据揭示了在红外光谱范围内的多重共振。除了偶极和衬底共振，观察到归因于超颖表面的激发和衬底声子模式之间的耦合的共振。
2020-09-09 physics.optics
Harnessing Selective State Space Models to Enhance Semianalytical Design of Fabrication-Ready Multilayered Huygens' Metasurfaces: Part I - Field-based Semianalytical Synthesis
Andrew and Erna Viterbi Faculty of Electrical and Computer Engineering, Technion（安德鲁和埃尔纳·维特比电气与计算机工程学院，以色列理工学院）；Faculty of Electrical and Computer Engineering, Tel-Aviv University（电气与计算机工程学院，特拉维夫大学）；Reykjavik University（雷克雅未克大学）
本文提出了一种基于选择性状态空间模型的半解析方法，用于快速设计可制造的双极化透射海利格超材料表面，结合机器学习提升精度。
2026-03-04 physics.app-ph physics.optics
Creating double negative index materials using the Babinet principle with one metasurface
超材料是一种图案化的金属结构，它允许获得一种新的电磁响应，负折射率，这是天然材料不可能实现的。利用巴比涅原理，在金属板上蚀刻互补开口环谐振器（SRR），以提供具有垂直方向的负ε。在这里，我们提出了一种新的设计，蚀刻在金属板，以提供负的磁导率μ，垂直方向。这种平面超材料的组合电磁响应（其中负μ来自孔并且负ε来自连续金属板的其余部分）允许实现仅具有一个超表面和强透射的双负折射率超材料（NIM）。这些设计可用于制造微波和光学波长的NIM以及三维超材料。
2013-01-08 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Mechano-optical metasurfaces
受力学超材料启发，研究人员提出将力学超材料与光学超表面集成的力-光学超表面，通过两种设计实现超大调谐范围，为主动超表面发展提供新路径，可应用于可调滤波器等领域。
2025-02-12 cond-mat.mes-hall physics.optics
Optimizing Polarizability Distributions for Metasurface Apertures with Lorentzian-Constrained Radiators
我们提出了一种设计策略，用于选择形成所需辐射图案所需的超颖表面孔径的有效极化率分布。超表面孔径由亚波长超材料元件阵列组成，每个超材料元件都可以被概念化为辐射的可极化偶极子。理想的偏振度分布可以通过使用全息方法来确定，以首先获得必要的孔径场，然后可以使用等效原理将其转换为偏振度分布。为了实现这种理想的分布，每个元件的极化率将需要具有不受约束的幅度和相位;然而，对于单个无源超材料谐振器，有效极化率的幅度和相位通过洛伦兹谐振的性质不可分割地联系在一起，相位值的范围被限制为至多180度的跨度。在这里，我们介绍了一个家庭的映射，从理想的极化率分布，很容易可视化绘制两个极化率在复平面。使用这些映射中的一个，可以从超表面天线实现高度优化的波束图案，尽管存在固有的谐振器限制。我们介绍了映射技术，并提供了几个具体的例子，用数值模拟来确认的设计方法。
2022-05-01 physics.app-ph physics.optics
Infrared Beam-shaping on Demand via Tailored Geometric Phase Metasurfaces employing the Plasmonic Phase-Change Material In3SbTe2
本文利用相变材料In3SbTe2的激光诱导绝缘体-金属转变，通过直接激光写入快速制造大面积几何相位超表面，实现红外光束偏转、聚焦、轨道角动量光束及多功能全息等按需光束整形。
2024-08-09 physics.app-ph physics.optics
Fabrication-Aware Design of a Hybrid Metasurface-Bragg Mirror for Low-Noise Precision Optics
Laboratory for Emerging Nanometrology（新兴纳米计量实验室）；Friedrich Schiller University（弗里德里希·席勒大学）；Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF（弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所IOF）；Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国物理技术联邦研究院）；Ernst Abbe University of Applied Sciences Jena（耶拿应用科学大学）
该研究提出一种混合超表面-布拉格镜设计，结合多种结构并考虑加工效应，实现高反射率、低非反射功率与低热噪声，适配精密光学及引力波测试台需求。
2026-10-14 physics.optics
Dynamically Babinet-invertible metasurface: a capacitive-inductive reconfigurable filter for terahertz waves using vanadium-dioxide metal-insulator transition
本文提出了一种可重构的平面超材料，可以利用其组成材料的电导率的局部变化在电容和电感响应之间切换。该器件基于巴比涅原理，利用了金属棋盘结构的奇异电磁响应，该响应取决于局部电导率。利用二氧化钒（$\mathrm{VO}_2$）的热诱导金属-绝缘体转变，所提出的超材料被设计为补偿衬底的影响，并在太赫兹制度的实验特征。这种可重构的超材料可以用作太赫兹波的可切换滤波器和可切换移相器。
2017-02-02 physics.optics
Investigation of broadband terahertz generation from metasurface
非线性超材料已被证明提供具有高非线性转换效率的非线性特性，并且在无数的光操纵中。本文研究了由单层纳米开口环谐振器阵列构成的非线性超颖表面产生太赫兹波的特性。基于金属中电子动力学的流体动力学模型，研究了开口环谐振腔二阶非线性光整流产生太赫兹波的问题.结果表明，非线性超颖表面使我们能够产生宽带太赫兹辐射，并没有准相位匹配条件。该方案为宽带太赫兹光源和非线性等离子体超材料的设计提供了新的思路。
2018-06-03 physics.optics
Wafer-scale conformal metasurface optics
针对现有共形光学制备技术的局限，本研究提出基于工业热成型工艺的晶圆级高曲率超表面可控制备方法，结合热流变模型补偿应变，实现了衍射极限性能的人工复眼器件。
2025-11-13 physics.app-ph physics.optics
Polarization-controlled anisotropic coding metamaterials at terahertz frequencies
基于有效介质的异向介质由于其能够自适应地调整自然界中不存在的有效介质参数，已经实现了许多不寻常的物理特性（如负折射和隐形隐身）。最近，有人提出通过设计具有相反相位响应的数字元件“0”和“1”的编码序列来控制电磁波的编码超材料。本文提出了太赫兹各向异性编码超材料的概念，其不同方向的编码行为依赖于太赫兹波的偏振状态。我们实验证明了一个灵活的偏振控制的各向异性编码超颖表面功能在太赫兹制度使用专门设计的编码元件。通过用精心设计的数字序列（1位和2位）对元件进行编码，x偏振和y偏振反射波可以在三维空间中独立偏转或扩散。模拟的远场散射图案以及近场电场分布，以说明双功能性能的编码超颖表面，这表明良好的协议的测量结果。我们进一步证明了各向异性编码超颖表面产生分束器的能力，并同时实现异常反射和偏振转换，为不同偏振态的太赫兹波提供了强有力的控制。所提出的方法，使通用的光束行为下的正交偏振使用一个单一的元表面，因此将有望有趣的太赫兹器件。
2015-09-12 physics.optics
Enhancing the Propagation Length of Graphene Surface Plasmon Polaritons using a Metamaterial Substrate with a Near-Zero Refractive Index
本文利用全介质超材料基底在近零折射率区域增强石墨烯表面等离激元极化激元的传播长度，通过光子晶体框架和COMSOL仿真验证，首次提出NZERI超表面作为石墨烯支撑平台，显著提升传播距离。
2025-08-06 physics.optics
On-chip all-dielectric fabrication-tolerant zero-index metamaterials
零折射率超材料（ZIMs）提供了前所未有的操纵光的方法，并且在广泛的应用中引起兴趣，包括光学隐身、超耦合和非线性光学中的非常规相位匹配特性。阻抗匹配的ZIM可以通过由布里渊区中心处的两个线性带（通常是电偶极子模式和横向磁偶极模式）的意外简并引起的光子Dirac-cone（PDC）色散来获得。因此，PDC只能针对超材料的几何参数的特定组合来实现，并且因此对制造缺陷敏感。这些制造缺陷可能限制在实际应用中的有用性。在这项工作中，我们克服了这个障碍，并证明了强大的全介质（AD）ZIM，支持PDC分散在宽的参数空间。我们的结构，由硅柱阵列在二氧化硅衬底上，是在硅绝缘体（SOI）平台上制造的，并在电信波长工作。
2016-08-19 physics.optics
Digital Metasurface Based on Graphene: An Application to Beam Steering in Terahertz Plasmonic Antennas
超材料的二维对应物--超表面，由于其对电磁波的强大操控能力而引起了人们的极大关注。最近出现了各种各样的元表面，不仅展示了无数的功能，而且还展示了可重构的响应。此外，数字或编码元表面通过将设备描述为离散构建块状态的矩阵而彻底改变了该领域，从而与信息理论形成了清晰的平行关系，并开辟了对高级元表面进行建模、组合和（重新）编程的新方法。本文加入了可重构和数字的方法，并提出了一种超表面，利用石墨烯的可调谐性，在太赫兹频率进行光束转向。一个全面的设计方法，包括技术，单元设计，数字超材料合成，和可编程性方面。通过沿着超颖表面平面设置和动态调整相位梯度，所得到的设备实现了在所有实际方向上的波束转向。所提出的设计进行了研究，通过分析模型和数值验证，显示波束宽度和转向误差远低于10度和5%，在大多数情况下。最后，设计准则提取通过涉及元表面的大小和数量的单元格状态的可扩展性分析。
2020-12-20 cs.ET physics.app-ph physics.optics
Analysis of Bessel Beam Generation Using MetaMaterials in Photonic Integrated Circuits
本文通过理论分析和仿真，提出一种在硅波导上布置同心环超表面阵列的光子芯片设计，用于在光通信和太赫兹波段产生贝塞尔光束，实现了500 um无衍射范围和超过80%的辐射效率。
2024-06-09 physics.app-ph physics.optics
Experimental characterization of an ultra-broadband dual-mode symmetric Y-junction based on metamaterial waveguides
硅光子集成电路通常需要具有最小损耗、小尺寸、超宽带宽和宽松制造公差的3 dB光功率分配器，以在整个芯片上分配光，并作为形成更复杂器件的关键构建块。对称Y结在其他功率分配器件中脱颖而出，因为它们的波长无关响应和简单的设计。然而，当前制造方法的有限分辨率导致两个Y结臂之间的尖端处的最小特征尺寸（MFS），这导致基模的显著损耗。在这里，我们建议利用亚波长超材料在一种新型的超宽带和制造宽容的Y型结规避这一限制。在260 nm带宽（1420-1680 nm）上的详尽实验研究表明，对于高分辨率光刻工艺（MFS约50 nm），基本横向电模式（TE 0）的过量损耗低于0.3 dB，并且对于100 nm的制造分辨率，过量损耗小于0.5 dB。具有正负10 nm的确定性引起的误差的亚波长Y结进一步证明了稳健的制造公差。此外，使用高分辨率光刻，该分束器在100 nm带宽（1475-1575 nm）内对一阶横电模式（TE 1）表现出低于1 dB的过量损耗。
2023-01-10 physics.app-ph physics.optics
Scalable Fabrication of Thermally Reconfigurable Ge Metasurfaces Using Stencil Lithography for Mid-Infrared Molecular Sensing
Department of Biomedical Engineering, University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校生物医学工程系）；Department of Electrical and Computer Engineering, University of Wisconsin–Madison（威斯康星大学麦迪逊分校电气与计算机工程系）；Department of Physics, Faculty of Science, Istanbul University（伊斯坦布尔大学理学院物理系）
提出无抗蚀剂模板光刻法在CaF2基底上制备Ge柱超表面阵列，通过几何参数设计实现950-1700 cm^-1指纹区离散共振，并利用Ge热光效应实现300-500 K下约36 cm^-1连续可调共振，用于PMMA振动模式复用检测和吸光度谱重建。
2026-06-15 physics.optics
Polarization-controlled non-Hermitian metasurfaces for ultra-sensitive terahertz sensing
针对非厄米奇异点附近传感易受制备误差和噪声影响的问题，该研究利用入射偏振调控耦合超表面的透射相位奇点，并以偏振角作为传感指标，实验验证了兼具鲁棒性与超高灵敏度的太赫兹传感方案。
2025-01-07 physics.app-ph physics.optics
Broadband switchable terahertz half-/quarter-wave plate based on VO2-metal hybrid metasurface with over/underdamped transition
动态可切换的半/四分之一波片最近已经成为太赫兹领域的焦点。传统的设计理念导致多层超材料或窄带超表面。在这里，我们提出了一种新的设计理念和VO 2-金属混合超颖表面实现宽带动态切换半/四分之一波片（HWP/QWP）的基础上过渡到过阻尼欠阻尼谐振。结果表明，通过改变VO 2电导率三个数量级，在0.8-1.2 THz的宽工作频带内，该超颖表面的功能可以在偏振转换比大于96%的HWP和椭圆率接近-1的QWP之间切换.我们预计，提出的设计理念将推进工程的超表面的动态切换功能超越太赫兹制度。
2021-07-02 physics.app-ph physics.optics
Metasurface Holography over 90% Efficiency in the Visible via Nanoparticle-Embedded-Resin Printing
超表面全息术是通过超表面调制光的空间振幅和相位来重建全息图像的技术，已经成为下一代显示技术。然而，用于实现元全息图的常规制造技术受到其小图案化区域、高制造成本和低产量的限制，这阻碍了其实际应用。在这里，我们展示了一个高效率的全息图，使用一步纳米制造方法与二氧化钛纳米颗粒嵌入树脂，允许高吞吐量和低成本的制造。在一个单一的波长，一个创纪录的高96.4%的理论效率证明与实验测量的转换效率为90.6%和零级衍射7.3%，产生超高效率，孪生图像自由全息图，甚至可以直接观察到环境光条件下。此外，我们还设计了一个平均效率为76.0%的宽带元原子，并在实验上展示了在450至650 nm可见波长处平均效率为62.4%的元全息图。
2021-09-02 physics.app-ph physics.optics
Designing Metasurfaces to Manipulate Antenna Radiation
从传感到光学计算，设计师在纳米尺度上对光的操纵是几项下一代技术的关键。操纵光的一种方法是设计一种在亚波长尺度上结构化的材料，一种超材料，以具有一些期望的散射效果。超材料通常具有非常大量的几何参数，可以调整，使设计过程变得困难。现有的设计范式要么忽视自由度，要么依赖于数值昂贵的全波模拟。在这项工作中，我们推导出一个简单的半解析方法设计的超材料，从亚波长元件与电和磁偶极子共振。这与几个实验上可达到的制度有关。为了证明我们的方法的多功能性，我们将其应用到三个问题：附近的发射器之间的耦合的操作，将平面波聚焦到一个点，并设计一个具有特定辐射模式的介质天线。
2022-06-09 physics.optics
A versatile method for nano-fabrication on diamond film: flexible diamond metasurfaces as a demonstration
本文提出一种以糖为掩模转移的通用纳米加工方法，解决了新型超薄金刚石薄膜难以制成实用器件的问题，并成功制备出柔性全金刚石超表面，展示了其在结构色及更多器件制造中的巨大潜力。
2024-12-18 physics.optics
Beyond Bragg-Mirrors for Gravitational Wave Telescopes: A Fabrication Tolerant Hybrid Metasurface-Bragg Mirror Design
Friedrich Schiller University（弗里德里希·席勒大学）；Technische Universität Braunschweig（布伦瑞克工业大学）；Institut für Halbleitertechnik, Technische Universität Braunschweig（布伦瑞克工业大学半导体技术研究所）；Fraunhofer-Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF（弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所）；Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国联邦物理技术研究院）
为未来引力波探测器设计高反射率且低热噪声的镜面涂层，结合超材料与布拉格镜，通过仿真和蒙特卡洛分析优化性能，实现热位移噪声降低一个数量级。
2026-05-01 astro-ph.IM gr-qc physics.optics
Fabrication and characterization of plasmonic nanopores for Raman detection of biomolecules
在本论文中，各种等离子体材料，如双曲型超材料纳米孔阵列和Au涂覆的独立纳米组装支撑纳米孔，旨在进行DNA分子的光学传感与表面增强拉曼光谱在流通配置。
2022-11-11 physics.app-ph physics.optics
Photon density of states engineering with generative inverse design for scalable 3D photonic metamaterials
Lund University（隆德大学）
本文提出一种端到端逆向设计框架，通过生成对抗网络生成目标光子密度态参数，实现3D光子超材料的高效设计，展示了高局部光子密度态结构的优异性能。
2026-04-08 physics.optics
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
Lithography-free Kirchhoff's Metasurfaces
由材料的纳米层状堆叠构成的无光刻超颖表面不仅由于其光学性质而且由于基于这种结构的器件的制造简单性和成本降低而具有吸引力。我们展示了一种在中红外（MIR）波长范围内具有工程电磁吸收的多层超颖表面。通过实验吸收和热辐射测量以及时域有限差分（FDTD）数值模拟的方式，薄SiO $_2$和Si膜夹在两个Au层的表征。多层超颖表面的光学性质的实验和模拟数据的比较显示吸收/发射应用的指导方针。
2020-03-23 physics.app-ph physics.optics
Bound states in the continuum in multilayered time-varying metasurfaces
Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）；Institute of Theoretical Solid State Physics, Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院理论固体物理研究所）；Institute for Analysis, Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院分析学研究所）；Institute of Nanotechnology, Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院纳米技术研究所）；Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST), Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院综合量子科学与技术中心）
研究多层时变超表面中的连续域束缚态，利用法布里 - 珀罗BICs实现极化不敏感散射异常，借助对称保护BICs打破时间反演对称性获非互易行为，展示单向光传输器件，确立其为低功耗光 - 物质作用平台。
2026-07-08 physics.comp-ph physics.optics
Resonant metamaterial absorbers for infrared spectral filtering: quasimodal analysis, design, fabrication and characterization
本文对金属-绝缘体-金属（MIM）基超材料在远红外波段的模态进行了分析。这些结构可以用作共振反射带切光谱滤波器，其独立于偏振和入射方向，因为准模式（与复频率相关联的模式）的激发导致准全吸收。我们制作了大面积的样品上的Si/Cr层沉积在硅衬底上的铬纳米棒光栅和测量傅里叶变换分光光度法显示出良好的协议与有限元模拟。准模态展开方法的开发，以获得降阶模型，适合非常好的全波模拟，并突出了激发条件的模式。
2014-02-03 physics.optics
Active control of phase matching in nonlinear metasurfaces using Pancharatnam--Berry phase
Tampere University（坦佩雷大学）；University of Eastern Finland（芬兰东部大学）
通过利用非线性潘查拉坦-伯瑞相，研究非线性超材料的相匹配控制，实现900-970nm波长范围内二次谐波生成相匹配峰的连续调谐。
2026-05-12 physics.optics
From parabolic-trough to metasurface-concentrator
超颖表面是平面光学应用的新设计的有前途的工具。因此，它们的质量和制造缺陷的公差需要用特定的工具进行评估。然而，大多数这样的工具依赖于几何光学近似，并且不能直接应用于超表面。在这封信中，我们介绍和评估，超颖表面，参数，如截距因子和斜率误差通常定义的太阳能聚光器在射线光学领域。在提出物理光学中的定义后，提出了计算它们的方法。作为例子，我们设计了三个不同的集中器的基础上，三个特定的单位细胞，并评估他们的数字。该概念允许比较超颖表面的效率、它们对制造缺陷的敏感性，并且对于实际系统将是至关重要的。
2017-01-11 physics.optics
Short-Pulsed Metamaterials
我们研究了一类时间的超材料，其特征在于随时间变化的介电常数波形的持续时间远小于特征波动力学时标。在空间和时间超材料之间的类比中，这种短脉冲状态可以被视为超表面的时间对应物。我们介绍了一个通用的和紧凑的分析形式主义建模的电磁波包的短脉冲超材料的相互作用。具体来说，我们阐明了本地和非本地的影响，以及时间反演对称性破缺的作用，我们展示了如何利用它们来执行基本的模拟计算，如一阶和二阶导数。我们的理论，对全波数值模拟验证，提出了一种新的路线操纵电磁波，而不依赖于长，周期性的时间调制。正如超材料表面在传统（空间）超材料的技术可行性和实用性方面发挥了关键作用一样，短脉冲超材料可能会促进时间和时空超材料的发展。
2022-05-14 cond-mat.mes-hall physics.optics
Fabrication Optimization of van der Waals Metasurfaces: Inverse Patterning Boosts Resonance Quality Factor
针对传统剥离工艺制备范德华超表面存在缺陷、限制共振性能的问题，提出采用刻蚀掩模反向图案化的优化制备方法，在hBN上实现可见波段Q因子超10³，还验证了其生物传感与手性超表面应用潜力。
2025-03-21 cond-mat.mes-hall physics.optics
High Quality Factor Fano-Resonant All-Dielectric Metamaterials
在过去的几年中，电磁感应透明（EIT）的超表面类似物已经成为纳米光子学领域的主要焦点，这是由于它们能够产生用于诸如低损耗慢光器件和高灵敏度光学传感器的应用的高品质因数（Q因子）共振。然而，欧姆损耗将常规等离子体激元EIT超颖表面中可实现的Q因子限制为小于10的值，从而显著妨碍器件性能。在这里，我们报告一个经典的模拟EIT使用全电介质硅基超颖表面的实验演示。由于极低的吸收损耗和相邻元原子的相干相互作用，实验观察到483的创纪录的高Q因子，导致折射率传感器的品质因数（FOM）为103。此外，我们表明，介电超颖表面可以被设计为限制在硅谐振器或环境中的光场，允许在纳米尺度上定制光-物质相互作用。
2014-08-15 physics.optics
Fabrication of Biaxial Hyperbolic Metamaterials with Oblique Angle Deposition
我们已经证明了一种多功能的方法，用于制造双轴双曲超材料（HALF）使用分层结构组成的二氧化钛和铜。为了实现双轴特性，应用倾斜角沉积技术来沉积柱状纳米结构形式的介电层。我们的实验特征的双轴色散使用可变角光谱椭偏测量在波长范围400 nm至900 nm。观察到平面内介电常数分量之间的显著差异，这已被证明是免疫制造误差。根据我们的方法制造的双轴隐马尔可夫模型在可见波长处提供了双ε近零特性，这些特性在7 nm的带宽上分开。所制备的双轴隐马尔可夫模型的实验表征结果与有效介质近似的预测符合得很好。我们所提出的方法可能有利于加快实现新的器件在纳米光子学应用。
2020-01-26 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Towards Random Metasurface based Devices
超颖表面通常通过将散射体放置在周期性网格中来设计。我们提出并讨论了设计规则，有效的随机和功能元表面各向异性元素。我们调查的元素密度的性能上的超表面在周期性和随机的情况下的影响。利用数值模拟，我们将我们的方法应用于近红外频率的全偏振随机超透镜的设计。研究结果将为从透镜到太阳能集中器的超材料和超表面设备的设计开辟一个新的范例。
2017-08-25 physics.optics
