Enabling Highly Efficient Infrared Silicon Photodetectors via Disordered Metasurfaces with Upconversion Nanoparticles
本文提出将无序Mie-等离子体超表面与UCNPs集成，突破硅带隙限制，在1550 nm实现高响应红外探测并兼容CMOS。
2025-03-16 physics.app-ph physics.optics
Hybrid resonant metasurfaces with configurable structural colors
本文提出融合有序非互易超原子与无序等离激元网络的混合超表面，通过局域光物质耦合实现高分辨率可配置结构色及定制光学图案。
2024-01-22 physics.app-ph physics.optics
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
The visual appearances of disordered optical metasurfaces
纳米结构材料是近年来出现的一种很有前途的材料外观设计方法。研究主要集中在通过波干涉产生结构色，而忽略了构成物体视觉外观的其他重要方面，例如镜面反射和漫反射的各自权重，物体宏观形状，照明和观看条件。在这里，我们报告的潜力无序光学超颖表面利用视觉外观。我们开发了一个多尺度建模平台，用于在现实环境中预测渲染由超表面覆盖的宏观物体，展示了纳米级共振和介观干涉如何用于光谱和角度形状反射光，从而在宏观尺度上产生不寻常的视觉效果。我们用肉眼观察到的宏观物体和厘米级样品的逼真合成图像验证了这一特性。这一框架在美术和应用视觉艺术的许多分支中开辟了新的视角。
2022-12-13 cond-mat.mes-hall physics.optics
Emergent scattering regimes in disordered metasurfaces near critical packing
LP2N, CNRS, IOGS, Université Bordeaux（波尔多大学）；LAAS-CNRS, Université de Toulouse（图卢兹大学）；Institut Lumière Matière, CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1（里昂第一大学）
本研究发现无序超材料在临界排列下的散射特性转变，通过实验和统计分析揭示了光子密度态统计学的显著变化，提出新的设计策略用于操控光谱和角度特性。
2025-12-14 cond-mat.dis-nn physics.optics
Complex wavefront engineering with disorder-engineered metasurfaces
最近，复杂的波前工程与无序介质已经证明了光学操纵能力超出了传统的光学。这些功能包括扩展体积、无像差聚焦和通过倏逝模耦合的亚波长聚焦。然而，将这些能力转化为有用的应用仍然具有挑战性，因为无序介质的输入-输出特性（$P$变量）需要通过$O(P)$测量来详尽地确定。在这里，我们提出了一种范式转变，其中的障碍是专门设计的，使其确切的特性是已知的，从而在一个先验确定的传输矩阵，可以利用只有几个对齐步骤。我们实现了这一概念与无序工程的超表面，它具有额外的独特功能，复杂的波前工程，如前所未有的光学记忆效应范围，出色的稳定性，和可定制的角散射轮廓。
2017-06-27 physics.optics
Optical Kerr nonlinearity of arrays of all-dielectric high index nanodisks in the vicinity of the anapole state
高折射率纳米粒子的非线性光学性质在anapole状态下得到提升。研究人员深入研究了这种现象，认为它有可能用于各种应用。在这项工作中，非线性光学克尔效应的无序和正方形晶格超颖表面的GaP纳米盘的影响作为一个功能的磁盘的大小在附近的anapole状态在532 nm的波长。当纳米盘的尺寸接近于亚极态时，超颖表面的有效二阶折射率呈指数增长。在接近阿那波勒态时，有效二阶折射率的符号被反转。正方形点阵超颖表面的有效非线性克尔系数的绝对值高于无序排列的纳米盘。在接近的阿那坡极状态的有效二阶折射率的绝对值是一个数量级高于在非阿那坡极共振的无序超表面组成的纳米盘或球。
2020-06-11 physics.optics
Flexible Full-Stokes Polarization Engineering by Disorder-Scrambled Metasurfaces
本研究提出一种基于两种超构原子按特定比例均匀分布的无序超构表面新方法，可独立灵活调控全斯托克斯偏振参数，理论验证了角度误差小、偏振度控制精度高的优异性能。
2025-01-10 physics.optics
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
Enhancing Goos-Hänchen shift based on magnetic dipole quasi-bound states in the continuum in all-dielectric metasurfaces
超表面介导的连续束缚态（BIC）为亚波长尺度的光操纵提供了一个多功能的平台，具有发散的辐射品质因数和极端的光学局域化。在这项工作中，我们采用磁偶极子准BIC共振在非对称硅纳米棒超颖表面实现巨大的古斯-汉欣（GH）位移增强超过三个数量级的波长。与基于布儒斯特凹陷或透射型共振的GH位移形成鲜明对比的是，这里的最大GH位移位于具有单位反射率的反射峰处，这可以在实验中方便地检测到。通过调节超颖表面的非对称参数，可以相应地调制$Q$因子和GH位移。更有趣的是，它被发现，GH位移表现出反二次依赖的非对称参数。此外，我们设计了一个超灵敏的环境折射率传感器的基础上的准BIC增强GH位移，与1.5 $\times$ 10 $^{7}$ $μ$ m/RIU的最大灵敏度。我们的工作不仅揭示了BIC在工程基本光学现象中的重要作用，而且还提出了推动光通信设备，信息存储，波分复用器和超灵敏传感器的性能极限的方法。
2021-07-17 physics.app-ph physics.optics
Wavevector Selective Metasurfaces and Tunnel Vision Filters
超颖表面在光传播的设计和控制方面提供了前所未有的灵活性，取代了大块光学元件并表现出奇异的光学效果。超颖表面的基本特性之一，使它们成为频率选择性表面，是能够在窄光谱带内传输或反射辐射，这可以根据需要进行设计。在这里，我们介绍和实验证明在太赫兹域的波矢量选择性表面的概念-超表面透明的光传播方向有效地操作隧道视觉过滤器的一个狭窄的范围内。新概念的实际应用包括波前操纵、观测仪器、光散射环境中的视觉和自由空间通信以及被动伪装。
2015-02-05 physics.optics
Topological learning for the classification of disorder: an application to the design of metasurfaces
本文提出基于拓扑的数值描述符来定量度量超表面的结构无序，适用于相关与不相关无序，并通过实验验证其在设计受控无序等离激元超表面及关联表面晶格共振方面的准确性，为快速设计无序超表面和优化大规模制备提供工具。
2023-06-23 cond-mat.dis-nn math.AT 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
Blob Detection for Photonic Metasurface Designing: Angular and Spectral Control of Scattered Light
提出结合傅里叶空间定制与blob检测的关联无序超表面逆向设计方法，并用Au纳米柱实验和FDTD模拟验证角度与光谱散射的独立可控及多功能叠加。
2025-07-28 physics.optics
Gate-tunable conducting oxide metasurfaces
由亚波长人工结构的平面阵列组成的超表面显示出非凡的光操纵的前景;它们已经产生了新颖的光学元件，如平面透镜、波片、全息表面和轨道角动量操纵以及在宽范围的电磁波谱上的检测。然而，迄今为止开发的超颖表面的光学性质不允许在制造之后反射或透射波振幅和相位的通用可调谐性，因此限制了它们在广泛应用中的使用。在这里，我们实验证明了门可调超颖表面，使动态电控制的相位和振幅的平面波从超颖表面反射。可调谐性起因于结合到超颖表面天线元件中的导电氧化物层的复折射率的场效应调制，所述超颖表面天线元件以反射阵列几何形状配置。通过施加2.5 V的栅极偏压，我们测量了π的相移和反射率的~ 30%的变化。此外，我们还演示了在超过10 MHz的频率下的调制，以及通过对超颖表面元素的子组进行电气控制来实现+/-1阶衍射光束的电气切换，这是电可调谐光束转向相控阵超颖表面的基本要求。所提出的具有高光学质量和高速动态相位调制的可调谐超颖表面设计建议在用于成像和感测技术的下一代MEMS光学组件中的应用，例如可重构光束转向装置、动态全息图、可调谐MEMS透镜、纳米投影仪和纳米级空间光调制器。重要的是，我们的设计允许与电子器件完全集成，因此可以对单个超颖表面元件进行电寻址。
2015-11-26 physics.optics
Metasurfaces in Adaptive Optics: A New Opportunity in Optical Wavefront Sensing
本文综述了超表面技术如何通过亚波长微结构实现对光场相位、振幅和偏振的多维控制，从而为自适应光学中的波前传感带来变革性新机遇，并展望其在下一代高精度波前传感中的理论框架与应用前景。
2025-05-05 physics.optics
Comparison Between Different Designs and Realizations of Anomalous Reflectors
Aalto University（阿尔托大学）
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
Reflection compensation mediated by electric and magnetic resonances of all-dielectric metasurfaces
全介电纳米结构最近已经成为等离子体器件的一个有前途的替代品，因为它们还具有明显的电和磁共振，并允许有效的光操纵。在这项工作中，我们研究了由硅纳米颗粒阵列（超颖表面）和高折射率衬底组成的复合结构的光学特性，旨在澄清衬底对纳米颗粒反射特性的作用。我们开发了一个简单的半解析模型，该模型描述了纳米颗粒阵列和裸衬底对全反射的单独贡献的干扰。应用这个模型，我们表明，匹配的大小和设置的π相位差的电和磁的纳米粒子中诱导的偶极矩，可以获得从基板上涂覆超颖表面的反射抑制。我们进行了数值模拟的球形和磁盘纳米粒子阵列不同的基板的结晶性。我们发现完全符合半解析结果，这意味着，尽管诱导双各向异性的影响，解耦元件模型充分描述了纳米结构的反射特性。该模型解释了反射光谱的特征，如一些倾角和它们的光谱位置，并显示了为什么它可能不符合形成系统的单个纳米颗粒的米氏共振的光谱位置。我们还解决实际方面的抗反射器件工程：我们表明，非耦合元件模型是适用于硅衬底上的结构，包括光刻定义的纳米柱。从硅衬底上的纳米颗粒阵列的反射抑制可以实现在宽光谱范围内与无序的纳米颗粒阵列和宽范围的入射角。
2017-03-14 physics.optics
Transparent Hybrid Anapole metasurfaces with negligible electromagnetic coupling for phase engineering
全介电纳米光子学已经成为现代光学中最活跃的研究领域之一，这主要是由于在纳米尺度上同时共振控制光的电和磁分量所提供的机会。在这种快速发展的情况下，通过重叠电和磁共振来设计人造惠更斯源的可能性已经在平面光学中建立了一个新的范例，使设备更接近于在单个元原子水平上直接相位工程的有效波前整形。然而，它们的效率从根本上受到金属晶格的组分之间的近场耦合的限制。在这项工作中，我们挑战这个构思良好的概念，并提出了一个替代的概念，以实现相位控制和全传输的超表面，基于不寻常的属性的非辐射源称为混合Anapoles（HAs）。我们从理论上分析了一系列此类源，并证明HA的特征是与其邻居的耦合可以忽略不计。因此，与惠更斯粒子相比，所提出的源即使在高度紧凑的设计中也可以作为单独的元原子操作，当沉积在电介质衬底上时，对强无序变得鲁棒并保持其特性。值得注意的是，透射波的相位可以被调制，反射可以忽略不计。为了说明我们的平台的能力，我们还利用无序HA阵列来实现对超快高斯脉冲的受控相位调制。我们的研究结果代表了从目前建立的设计出发，并开辟了一条途径，实现新的设备，平面光学前所未有的效率。
2021-07-26 physics.optics
Deep learning enabled strategies for modelling of complex aperiodic plasmonic metasurfaces of arbitrary size
光学相互作用对纳米结构在复杂环境中的光学响应有重要影响。考虑到大型结构群的相互作用，需要计算量大的数值计算。特别是如果没有周期性可以利用，全场模拟可以变得过于昂贵。在这里，我们提出了一种方法的数值描述的非周期性组装的等离子体纳米结构。我们的方法是基于修饰的极化率，这是传统上非常昂贵的计算，一个问题，我们缓解使用深度卷积神经网络作为代理模型。我们证明，该方法提供了高精度的误差在百分之一的顺序。在相互作用主要是短程的情况下，例如对于平面超颖表面的面外照射，它可以用于描述基本上无限大小的非周期性超颖表面，包含数千个无序的等离子体纳米结构。我们还表明，该模型是能够光谱解析耦合效应。因此，该方法对于元表面领域具有最高的兴趣。它提供了显着的优势，如大型非周期性平面元结构的均匀化或复杂的波前在微米尺度的设计，其中光学相互作用发挥了至关重要的作用。
2021-12-08 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph physics.optics
Crossing of the branch cut: the topological origin of a universal 2π-phase retardation in non-Hermitian metasurfaces
本研究揭示非厄米超表面中通用2π相位延迟的拓扑起源，发现宇称-时间对称性破缺使反射/透射矩阵零点奇点移至复频面上半部分，分支切割跨越实轴时产生0-2π相位梯度，为谐振光子系统设计提供新机制。
2022-02-11 physics.optics
Materiatronics: Modular analysis of arbitrary meta-atoms
在超材料和超表面的范例中，复合材料的电磁特性可以通过塑造或调制其成分（所谓的元原子）来设计。具有一般极化性质的复杂形状亚原子的合成和分析是一个具有挑战性的课题。在本文中，我们证明了最一般的响应可以在概念上分解成一组基本的，基本的极化现象，这使得立即全方位的表征任意线性超材料和超表面的电磁特性。提出的平台的模块化表征（称为“materiatronics”）进行了测试的几个例子的双各向异性和nonreciprocal元原子。作为一个示范的潜力模块化分析，我们用它来设计一个单层超颖表面的消失厚度与酉圆二色性。在本文中开发的分析方法是支持一个现成的计算代码，并可以进一步扩展到元原子工程的其他类型的波相互作用，如声学和力学。
2019-01-24 physics.optics
Co-Design of Free-Space Metasurface Optical Neuromorphic Classifiers for High Performance
场景中特征的分类通常需要将入射光子场转换为电子域。最近，已经出现了一种替代方法，其中被动结构材料可以通过直接使用光的自由空间传播和光的衍射来执行分类任务。在这篇手稿中，我们提出了一个理论和计算研究，这样的系统，并建立管理其性能的基本特征。我们表明，系统架构，材料结构和输入光场是交织在一起的，需要共同设计，以最大限度地提高分类精度。我们的模拟结果表明，一个单层的元表面可以实现分类精度比传统的线性分类器，一个数量级的衍射功能比以前报道的。对于波长λ，对于到输出平面的优化距离，具有孔径密度的尺寸的单层超颖表面在MNIST数据集上实现约96%的测试精度。尽管使用了线性光学超材料，但这是由光电探测中的固有非线性实现的。此外，我们发现，一旦系统被优化，衍射特征的数量是分类性能的主要决定因素。随着孔径数量的缓慢渐进缩放表明了这样的系统可以受益于多层设计的原因。最后，我们展示了孔径数量和制造噪声之间的权衡。
2021-06-15 cond-mat.dis-nn eess.IV physics.optics
Disordered Anderson Localization Optical Fibers for Image Transport - A Review
无序光纤显示出新颖的波导特性，通过光的横向安德森局域化实现，并用于图像传输。来自横向无序折射率结构的强横向散射导致可以在纵向方向上自由传播的横向受限模式。在某种意义上，安德森局域化无序光纤表现得像大芯多模光纤，其优点是大多数模式在横向平面中高度局域化，因此光纤的截面中的任何点都可以用于局域化光束传输。该特性已用于这些光纤中强度图案和图像的高质量传输。本文综述了无序光纤中横向安德森局域化的基本原理和发展历史，并介绍了无序光纤在成像应用中的最新进展。
2019-02-01 physics.optics
Spin-orbit interactions of light
光携带自旋和轨道角动量。这些动力学性质由光的偏振和空间自由度决定。现代纳米光学、光子学和等离子体学倾向于探索亚波长尺度和结构化的附加自由度，即，空间不均匀的光场在这样的场中，自旋和轨道性质变得彼此强烈耦合。本文综述了光学中主要的自旋轨道相互作用现象的基本起源和重要应用。其中包括：非均匀介质中和光学界面处的自旋霍尔效应、非傍轴（聚焦或散射）场中的自旋相关效应、使用各向异性结构界面（超颖表面）的光的自旋控制成形以及经由渐逝近场的稳健自旋方向耦合。我们表明，自旋轨道相互作用是固有的所有基本的光学过程中，它们在现代光学亚波长尺度和结构中发挥着至关重要的作用。
2015-05-20 physics.optics
