Tailoring iridescent visual appearance with disordered resonant metasurfaces
自然物种的纳米结构提供了饱和和彩虹色的美丽视觉外观,问题是我们是否可以用人造超表面复制甚至创造新的外观。然而,利用由无序超表面散射的镜面光和漫射光来创建有吸引力的和规定的视觉效果目前是无法实现的。在这里,我们提出了一种解释性的,直观的和准确的基于模态的工具,揭示了定义沉积在反射衬底上的共振元原子的胶体无序单层的外观的主要物理机制和特征。该模型表明,等离子体共振和法布里-珀罗共振的组合提供了不寻常的彩虹色视觉外观,不同于那些经典的天然纳米结构或薄膜干涉观察。我们强调了一个不寻常的视觉效果,只有两种不同的颜色,并从理论上探讨其起源。该方法可用于视觉外观的设计,具有易于制造和通用的构建块,具有对制造缺陷的较大弹性,以及创新涂层和美术应用的潜力。
2023-03-22 physics.chem-ph physics.optics
Tailoring sub-Doppler spectra of thermal atoms with a dielectric optical metasurface chip
本研究针对铷原子蒸气设计集成纳米光栅超表面的微型蒸气池,搭建泵浦-探测光谱系统,实现低功率亚多普勒响应观测、偏振调控谱形及高稳定度激光稳频,为原子光谱调控提供新方案。
2024-12-13 physics.atom-ph physics.optics
Surface-Wave Propagation on Non-Hermitian Metasurfaces with Extreme Anisotropy
电磁超颖表面通过在空间上定制局部表面电抗来实现对表面波传播的高级控制。有趣的是,调整空间中的表面电阻分布提供了新的、基本上未被探索的自由度。在这里,我们表明,适当的空间调制的表面电阻之间的积极(即,损失)和负(即,增益)值可以引起特殊的色散效应,远远超出了仅仅补偿的范围。受量子物理学中宇称-时间对称性概念的启发,我们提出并研究了一类非厄米超颖表面,这种超颖表面可能表现出极端的各向异性,主要是由增益-损耗相互作用引起的.通过分析建模和全波数值模拟,我们说明了表面波渠化的相关现象,探索非局部效应和可能偏离理想条件,并解决所需的本构参数的可行性。我们的研究结果表明有趣的可能性,动态重新配置的表面波传播,并在成像,传感和通信的应用程序的潜在利益。
2021-01-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Tailoring dielectric resonator geometries for directional scattering and Huygens' metasurfaces
在本文中,我们描述了一种方法来定制的超材料介质谐振器的设计,这是一个有前途的路径,在光频率的低损耗超材料。我们首先描述了一个程序来分解的多极场分量的亚波长谐振腔散射的远场,多极远场提供明确的表达式。我们应用这个公式来确认,一个孤立的高介电常数立方体谐振器具有频率分离的电和磁偶极共振,以及磁四极共振在接近电偶极共振。然后,我们引入多个介电间隙的谐振器的几何形状的微扰理论所建议的方式,并证明重叠的电和磁偶极子共振的能力,从而使定向散射满足第一Kerker条件。我们进一步证明了推动四极共振远离简并偶极共振,以实现本地行为的能力。通过多极展开证实了这些性质,并表明使用微扰理论建议的几何形状是实现超材料应用(如惠更斯超表面的波前操纵)的纯偶极共振的可行途径。我们的结果是完全可扩展的任何频段,其中高介电常数介电材料可用,包括微波,太赫兹和红外频率。
2014-12-16 cond-mat.mes-hall physics.optics
Degenerate merging BICs in resonant metasurfaces
本文研究了共振超表面中双重简并导模共振通过参数调谐演化为简并合并BIC的机制,发现两个GMR共享同一临界参数,且周期变化可导致一个合并BIC分裂为八个偶然BIC而湮灭另一个,为设计高Q值共振提供了新策略。
2024-11-20 physics.optics
Tailoring dispersion of room temperature exciton-polaritons with perovskite-based subwavelength metasurfaces
激子-极化激元是由绝缘体或半导体中的激子和光子之间的强耦合机制产生的基元激发,代表了研究光的量子流体和实现有前景的全光学器件的有希望的平台。在用于室温极化激子器件的不同材料中,二维(2D)层状钙钛矿最近因其在室温下突出的激子特性而成为有希望的候选材料之一。在这里,我们报告的激子极化激元在室温下的共振超颖表面从亚波长的2D晶格的钙钛矿柱的实验演示。这些超颖表面通过旋涂获得,然后在预图案化的玻璃骨架中结晶钙钛矿溶液。强耦合制度揭示的角度分辨反射率和光致发光测量,显示anticrossing光子模式和激子共振与拉比分裂在200毫电子伏的范围内。此外,我们表明,极化激子色散可以通过定制的光子布洛赫模式耦合到钙钛矿激子。线性,抛物线,和多谷极化激元色散实验证明。我们所有的结果都完美地再现了基于严格的耦合波分析和辐射-物质相互作用的量子理论的基础上的基本模型的数值模拟。我们的研究结果提出了一种新的方法来研究激子极化激元,并铺平了道路,在室温下运行的大规模和低成本的集成极化激元器件。
2020-01-19 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Tailoring the Thickness-Dependent Optical Properties of Conducting Nitrides and Oxides for Epsilon-Near-Zero-Enhanced Photonic Applications
新兴的光子材料-导电氮化物和氧化物-的独特性质,特别是它们的可定制性,大的损伤阈值,以及所谓的ε近零(ENZ)行为,使新的光子现象跨越光学电路,可调超颖表面和非线性光学器件。这项工作探讨了直接控制的多晶氮化钛(TiN)和铝掺杂氧化锌(AZO)的光学性能,通过定制的薄膜厚度,和他们的潜力ENZ增强的光子应用。我们表明,氮化钛AZO双层作为Ferrell Berreman超颖表面厚度可剪裁的ε近零共振的AZO薄膜中操作的电信波长从1470到1750 nm。双层堆叠也充当强光吸收器在紫外线制度采用辐射ENZ模式和法布里-珀罗模式的组成TiN膜。所研究的Berreman超颖表面表现出15%的光致反射调制与皮秒响应时间。结合导电氧化物和氮化物的光学响应可定制性,利用可调谐ENZ区域附近的场增强可以实现广泛的非线性光学现象,包括全光开关,时间折射和高次谐波产生。
2022-03-26 physics.app-ph physics.optics
From local to nonlocal high-Q plasmonic metasurfaces
本文提出一种综合策略,通过有效剪裁局域和非局域机制下的谐振模式,克服损耗限制,在等离激元超表面中实现高Q因数谐振。
2023-11-22 physics.optics
Liquid crystal based tailoring of strong coupling in \ch{WS2} metasurfaces: towards reconfigurable quantum photonics
本文提出将 TMDC 嵌入液晶并与 quasi-BIC 耦合,通过外场调控液晶取向实时调制强耦合和 Rabi 劈裂,并以反聚束测量证实可调谐量子发射。
2025-07-25 cond-mat.soft physics.optics
Metasurface Engineering with Tantalum Pentoxide-Coated Microspheres: Tailoring Optical Resonances and Enhancing Local Density of States
National Institute for Research and Development of Isotopic and Molecular Technologies(同位素和分子技术研究发展中心);CNRS, University of Bordeaux(法国国家科学研究中心,波尔多大学)
研究通过实验和模拟探讨了Ta₂O₅壳层厚度对微球晶格光学共振和Rh6G荧光增强的影响,揭示了壳层厚度与发射体位置共同调控光子共振、局部光学态密度及荧光响应的机制。
2026-07-21 cond-mat.mes-hall 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
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
Holographic lasing with dielectric metasurfaces
针对现有发光超表面在自发辐射机制下相干性低、光控制精度有限的问题,本文提出集成增益介质的二元结构超表面系统,实现全息激光输出的相干光产生与精确光束整形,为小型化光学系统提供紧凑、高性能的激光生成平台。
2025-09-24 physics.app-ph physics.optics
Maximum chirality in planar metasurfaces induced by strong coupling of quasi-bound states in the continuum
该研究通过面内不对称性诱导两个正交偏振的准束缚态强耦合,在平面介电超表面中实现最大手性,并识别出异常点,为平面手性设计提供新途径。
2025-02-27 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
Arbitrary Polarization Generation in Magneto-optical Metasurfaces Enabled by Bound States in the Continuum
Keio University(庆应义塾大学);The University of Tokyo(东京大学)
通过磁光超材料和外部磁场调控,实现垂直辐射下任意偏振态的连续生成,无需结构修改。
2026-03-12 physics.optics
Rayleigh Bound States in the Continuum
Harbin Engineering University(哈尔滨工程大学);ITMO University(ITMO大学)
研究预测非亚波长周期超表面中瑞利BICs,其在瑞利异常处出现,源于多种态相互作用,有独特品质因数立方标度,为超表面中亚波长范围外非辐射态工程化提供途径。
2026-07-09 cond-mat.mes-hall physics.optics
Singular value decomposition to describe bound states in the continuum in periodic metasurfaces
Karlsruhe Institute of Technology(卡尔斯鲁厄理工学院)
提出利用有效转移矩阵和散射矩阵的奇异值分解,给出BIC形成的通用条件,并通过多极共振阵列验证了该方法在预测BIC位置及准BIC行为上的有效性。
2026-06-15 physics.optics
Ultra-Spatiotemporal Light Confinement in Dielectric Nanocavity Metasurfaces
具有强时空约束的光聚集是剪裁光-物质相互作用的关键。光子谐振器和等离子体谐振器中的电磁腔模式为光场定位提供了平台。在这里,我们提出了准束缚态的概念,在连续间隙腔,并揭示了超时空限制在自由空间中可以实现在一个介电纳米腔元表面。通过在纳米盘谐振器中引入非对称空气槽,实现了超高品质因数$\rm Q \sim 10^6$,伴随着极小的有效模体积$\rm V_m \sim 10^{-2}$ $(λ/n)^3$,导致在可见波长范围内的$\rm 10^6 (λ/n)^{-3}$的Purcell因子。环形偶极子驱动空气间隙中的电场和磁场集中,并产生涡旋极化电场。作为等离子体和光子晶体腔的替代方案,我们的研究为工程光-物质相互作用提供了一个更有趣的平台,以推进大量的基础研究和器件应用,如Purcell因子增强,室温强耦合和非线性纳米光子。
2021-12-29 physics.optics
Polarization-controlled dynamically switchable high-harmonic generation from all-dielectric metasurfaces governed by dual bound states in the continuum
定制光学非线性效应(如谐波产生、和频混频等)在最近出现的全介质平台中,对于高效、超快和小型化光子器件的基础科学和工业发展都是重要的。在这项工作中,我们提出了一种新的范例,通过利用偏振控制的双束缚态在连续(BIC)的硅纳米二聚体超颖表面的动态切换高谐波产生。由于BIC共振的高品质因数,从直接过程以及通过简并四波混频的级联过程获得包括三次谐波产生和五次谐波产生的有效谐波信号。此外,可以相对于基本泵激极化以高选择性打开或关闭BIC及其共振增强谐波。与以前的报道相比,我们的工作提供了一个简单而有效的调谐策略,充分利用结构的对称性和偏振自由度,而不是诉诸于额外的外部刺激,这将有很大的优势,智能设计可调谐和可切换的非线性光源芯片级应用。
2022-03-11 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
Multipolar origin of bound states in the continuum
基于共振亚波长光子结构的超表面实现了波前控制和光聚焦的新方法,支撑了新一代平面光学器件。最近出现的全介电超颖表面表现出高质量的共振,其基础是连续体中束缚态的物理学,这推动了光子学中许多有趣的概念。在这里,我们提出了一种新的方法来解释嵌入到辐射连续的束缚光子态的物理。我们研究了由Mie共振纳米粒子(“元原子”)的平面周期阵列组成的介电超颖表面,该超颖表面支持连续介质中的对称保护态和偶然束缚态,并采用多极分解方法揭示了孤立元原子产生的多极模式形成这种非辐射态的物理机制。基于矢量球谐函数的对称性,我们确定了在源于晶格和晶胞的对称性的连续介质中存在束缚态的条件。使用这种形式主义,我们预测,具有强烈抑制的空间色散的超颖表面可以支持在连续的束缚态与波矢形成一条线在倒易空间。我们的结果提供了一种新的方式来设计高品质的共振光子系统的基础上的物理束缚态在连续。
2019-04-20 physics.optics
Flexible terahertz metasurface absorbers empowered by bound states in the continuum
本文利用连续域束缚态(BICs)设计柔性太赫兹超表面吸收器,通过时间耦合模理论、多极与拓扑分析揭示BIC辐射特性,实现吸收系数、带宽和视场的可定制及多频带吸收。
2024-05-06 physics.optics
Unlocking the out-of-plane dimension for photonic bound states in the continuum to achieve maximum optical chirality
实现具有真手性的无损超颖表面至关重要地需要制造三维结构,这限制了它们的实验可行性并阻碍了实际实现。尽管先前已经证明了金属纳米结构的三维组装,但是所产生的等离子体共振遭受高的固有和辐射损失。光子束缚态的概念在连续(BIC)是有助于定制辐射损失在不同的几何形状,特别是当使用无损的双折射实现,但应用程序迄今为止已被限制到平面和固有的非手性结构。在这里,我们介绍了一种新的纳米纤维的方法来解锁一般平坦的全介电超颖表面的高度作为一个可访问的参数,有效的谐振和功能控制。特别是,我们实现了准BIC超颖表面的面外对称性破缺,并利用这种设计自由度来首次展示具有最大固有手性的光学全介电准BIC超颖表面,该光学全介电准BIC超颖表面根据结构手性选择性地响应特定圆偏振的光。我们的实验结果不仅为全介质BIC和手性纳米光子学开辟了一个新的范例,而且还有望在实现有效产生光学角动量,全息超颖表面和宇称时间破缺光学系统方面取得进展。
2022-10-11 physics.optics
Tailoring Quasi-Bound States in the Continuum for Infrared Photodetection in Black Phosphorus
Southeast University(东南大学);Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences(中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所);National Research Center for Optical Sensing/Communications Integrated Networking, Southeast University(东南大学光传感/通信集成网络国家研究中心);University of Science and Technology of China(中国科学技术大学)
本文通过在黑磷中集成介电超材料实现准束缚态,在增强光-物质相互作用的同时提升红外光电探测性能,克服了黑磷在各向异性二维光电探测中的光学吸收瓶颈。
2026-03-29 physics.optics
Strong coupling of collective optical resonances in dielectric metasurfaces
研究通过理论、数值和实验方法展示了介电超材料中集体共振的耦合与混合,揭示了强耦合现象及准-BIC的形成机制,为设计新型超材料提供了理论支持。
2025-12-15 cond-mat.mes-hall physics.optics
Edge detection imaging by quasi-bound states in the continuum
本研究利用全介电超表面中的准束缚态(quasi-BIC)实现了偏振无关的各向同性二维空间微分,成功在硅基平台上完成高质量、高效的边缘检测成像,为超紧凑低功耗光学计算提供了新机遇。
2024-08-19 physics.app-ph physics.optics
Widely Tunable, Etch-free Multi-dielectric Fano Metasurfaces in the Visible
Bilkent University(比尔肯特大学);Nanyang Technological University(南洋理工大学)
本文提出并验证了一种将多层介质腔集成到一维光栅的纳米光子架构,实现可见光波段宽调谐法诺共振,具备无刻蚀制备、强局域场积累等优势,可用于光子器件、显示印刷及量子技术等领域。
2026-08-28 physics.optics
Plasmonic Bound States in the Continuum to Tailor Light-Matter Coupling
等离子体共振在增强纳米光子学中的光-物质相互作用中起着关键作用,但其低品质因数阻碍了要求高光谱选择性的应用。即使在电介质超颖表面中已经实现了具有高品质因数的连续体中的受保护束缚态,但是入射光不能有效地耦合到谐振超颖表面,并且由于低的固有损耗而以反射的形式损失。在这里,我们展示了一种新颖的设计和三维激光纳米打印等离子体纳米鳍超颖表面,支持在连续的第四阶的受保护的束缚态。通过打破纳米鳍在参数空间的面外对称性,我们实现了高品质因数(高达180)模式下的正常入射。我们发现,面外对称性破缺可以通过3D纳米鳍元原子的三角形角度进行微调,从而打开了一条精确控制辐射与固有损耗之比的途径。这使得访问下,临界和过度耦合制度,我们利用像素化分子传感。根据耦合制度,我们观察到负,没有,或正调制引起的分析物,揭示了不可否认的重要性,定制光物质相互作用。我们的演示提供了一种新的超颖表面平台,用于增强光-物质相互作用,在光学传感,能量转换,非线性光子学,表面增强光谱学和量子光学中具有广泛的应用。
2022-07-21 cond-mat.mes-hall physics.optics
Enhanced third-harmonic generation empowered by doubly degenerate quasi-bound states in the continuum
本研究利用双重简并连续域中准束缚态(quasi-BICs)实现了硅超表面中与偏振无关的三次谐波产生稳健增强,最大转换效率达 $1.03\ imes10^{-5}$,为超紧凑高效光子上转换系统设计奠定基础。
2024-12-22 physics.optics
Extreme light confinement mediated by the transverse Kerker effect
Institute of Physics, University of Graz(格拉茨大学物理研究所);Chair in Hybrid Nanosystems, Nano-Institute Munich, Faculty of Physics, Ludwig-Maximilians-Universität München(慕尼黑大学物理学院混合纳米系统教席,纳米研究所慕尼黑);School of Physics and Astronomy, University of St Andrews(圣安德鲁斯大学物理与天文学学院)
通过横向Kerker效应实现光的极端限制,利用光子模式在金属超材料表面形成无偏振依赖的准束缚态,质量因子可调且无需对称破缺。
2026-03-16 physics.optics
Vibrational coupling to quasi-bound states in the continuum under tailored coupling conditions
本文利用硅基超表面中的连续域准束缚态高Q模式,通过调节结构不对称参数实现与分子振动的弱到强耦合调控,并确定最优参数以增强分子信号,为全介电高灵敏表面增强红外光谱提供新路径。
2023-08-08 physics.optics
Mirror-coupled plasmonic bound states in the continuum for tunable perfect absorption
定制临界光-物质耦合是纳米光子学的一个基本挑战,影响了从高次谐波产生和能量转换到表面增强光谱学的各个领域。等离子体完美吸收体(PA),其中谐振天线耦合到相邻金属膜中的镜像,已经有助于通过调谐天线-膜距离来获得不同的耦合机制。然而,对于片上应用,理想的PA间隙尺寸只能匹配一个波长,宽范围多光谱方法仍然具有挑战性。在这里,我们介绍了一个新的范例,通过结合镜像耦合共振的等离子体激元束缚态在连续(BIC)的独特的损失工程能力的等离子体激元PA。我们的BIC驱动PA平台利用组成元原子的不对称性作为达到临界耦合(CC)条件的额外自由度,在中红外区提供具有单位吸光度和接近100的高品质因数的共振。这样的平台保持灵活的调谐旋钮,包括不对称参数、介电间隙和几何比例因子,以精确地控制耦合条件、谐振频率以及磁场和电场的选择性增强,同时保持CC。我们展示了一个像素化的PA metasurface与最佳的吸收范围广泛的中红外频率(950 ~ 2000 1/cm),仅使用一个单一的间隔层厚度,并将其应用于多光谱表面增强分子光谱在定制的耦合制度。我们的概念大大扩展了传统间隙调谐PA的功能和灵活性,为小型化传感平台向片上和原位检测开辟了新的前景。
2022-11-07 cond-mat.mes-hall physics.optics