全介质可重构超表面的局域与非局域电磁响应的调控

学术   2024-11-14 21:00   中国香港  

最近一篇文章  通过相变材料调控超表面中的局域与非局域响应。最近有关非局域超表面(nolocal metasurfaces)的研究很多。

非局域超表面不同于以往的超表面的主要区别就是它的实际光场调控是需要考虑单元与单元之间的耦合效应。这个和之前说的 表面等离子体中的非局域效应 不完全是一回事,但是也很相似。总之,就是完整的光场调控不能看成孤立单元调控的“加和”。

文中利用相变材料设计可重构超表面,基本结构如下图。

Fig.1 结构与散射特性

首先,作者分析了不同结构高度下的散射特性。有关散射特性以及微纳结构的多极分解可以参考以往短文:一维周期结构散射多极分解的COMSOL计算

本工作可以通过调整结构来保证电偶极子共振的  分量在同一波长下,这样条件下形成惠更斯对,利于调控电磁波的辐射方向

文中提及了两种方式控制辐射方向,一种是局域的方式,也就是以往的通过梯度相位的方式  。在设定的周期长度内排布  的相位,这个控制的方向符合光栅方程。

随着离散结构单元的增加,光束偏转的效率更高;一方面他的相位曲线更加的“光滑”,另一方面,少量的离散结构单元存在高阶模式,影响了能量的分配,削弱了一级的辐射能量。

另一种是非局域的方式。考虑临近结构之间的近场耦合,这种方式可以将倏逝波耦合到任意弗洛凯模式,局域的方式大多实现一级模式的辐射。

文中通过非局域的方式实现了高效率的光束控制,这里的相位分布与利用线性梯度相位设计的所不同。整体结果相当于多个惠更斯元的干涉叠加作用。

通过调控相变材料,实现双各向异性(双各向异性就是说电场磁场极化互相影响),物质的本构关系如下
  ,
通过双各向异性实现近场电磁耦合,近而控制超表面实现非互异性,实现结构不同入射方向的差异化吸收。

Fig.2 结构的差异化吸收

文中给出了差异化吸收的表达式  给出了  向偏振入射,不同入射方向带来的结构吸收差值同材料电磁参数之间的关系。

该工作通过控制相变材料实现电磁场的局域、非局域的调控,并实现不同入射方结构的差异化吸收。


参考

[1] Díaz-Rubio A, Máñez-Espina L M. Control of the local and nonlocal electromagnetic response in all-dielectric reconfigurable metasurfaces[J]. arXiv preprint arXiv:2405.20201, 2024.

光学了
闲暇时光的个人写作;时而记录光学科研生活,时而分享不成熟观点,偶尔蹭热点。
 最新文章