[論文レビュー] Polarization-controlled anisotropic coding metamaterials at terahertz frequencies

Shuo Liu, Tie Jun Cui+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2015

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、1ビットおよび2ビットのデジタル符号化シーケンスを用いたデジタル符号化メタサーフェスを用いて、テラヘルツ周波数帯域における偏光制御による異方性符号化メタマテリアルを提案する。偏光に基づいて位相応答を調整することにより、メタサーフェスはxおよびy偏光の反射波を独立して制御でき、実験的に検証された3次元ビーム操作および近場場制御を実現する、同時に異常反射、ビーム分割、偏光変換を達成する。

ABSTRACT

Metamaterials based on effective media have achieved a lot of unusual physics (e.g. negative refraction and invisibility cloaking) owing to their abilities to tailor the effective medium parameters that do not exist in nature. Recently, coding metamaterials have been suggested to control electromagnetic waves by designing the coding sequences of digital elements '0' and '1', which possess opposite phase responses. Here, we propose the concept of anisotropic coding metamaterial at terahertz frequencies, in which coding behaviors in different directions are dependent on the polarization status of terahertz waves. We experimentally demonstrate an ultrathin and flexible polarization-controlled anisotropic coding metasurface functioning in the terahertz regime using specially- designed coding elements. By encoding the elements with elaborately-designed digital sequences (in both 1 bit and 2 bits), the x- and y-polarized reflected waves can be deflected or diffused independently in three dimensions. The simulated far-field scattering patterns as well as near-electric-field distributions are given to illustrate the bifunctional performance of the encoded metasurface, which show good agreement to the measurement results. We further demonstrate the abilities of anisotropic coding metasurface to generate beam splitter and realize anomalous reflection and polarization conversion simultaneously, providing powerful controls of differently-polarized terahertz waves. The proposed method enables versatile beam behaviors under orthogonal polarizations using a single metasurface, and hence will promise interesting terahertz devices.

研究の動機と目的

• 偏光状態に基づいて独立してテラヘルツ波を制御可能な再構成可能メタサーフェスの開発。
• 従来の等方的符号化メタマテリアルの制限を克服し、偏光依存の符号化動作を導入すること。
• 1枚の超薄型メタサーフェス内で、ビーム分割や異常反射などの多機能的波フロント整形を達成すること。
• デジタル符号化シーケンスが直交する偏光に対して異なる散乱パターンを生成できることを実験的に証明すること。

提案手法

• 『0』および『1』のデジタル状態に対して逆位相応答を示す特別に設計された符号化素子の設計。
• 1ビットおよび2ビットの符号化シーケンスを用いて、xおよびy偏光成分の反射波の位相を独立して制御。
• 波長未満のユニットセルと偏光に敏感な共鳴構造を用いた、超薄型で柔軟なメタサーフェスの作製。
• 二重機能的挙動の検証のため、シミュレートされた遠方場散乱パターンおよび近傍電場分布の利用。
• 直交する入射偏光下でのビーム偏光、拡산、偏光変換の実験的検証。
• 外部チューニング機構を必要とせず、動的波フロント制御を達成するためのデジタル符号化原理の採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 符号化メタマテリアルは、テラヘルツ帯域で偏光依存の異方的応答を示すように設計可能だろうか？
• RQ2 デジタル符号化シーケンスをどのように用いることで、xおよびy偏光のテラヘルツ波の反射を独立して制御できるか？
• RQ3 1枚のメタサーフェスが、同時に異常反射と偏光変換をどの程度達成できるか？
• RQ4 直交する偏光に対するシミュレートされたと測定された遠方場散乱パターンの一致度はいかほどか？
• RQ5 同じ物理的構造を用いて、異なる偏光に対して異なるビームパターンを生成できるか？

主な発見

• 偏光依存の符号化シーケンスを用いて、メタサーフェスはxおよびy偏光の反射波を成功裏に独立して制御した。
• シミュレートされたと測定された遠方場散乱パターンは良好な一致を示し、予測されたビーム操作能力を確認した。
• 装置は、直交する偏光に対して異なるビーム偏光角度を示す、同時に異常反射と偏光変換を達成した。
• 近傍電場分布は、偏光および符号化シーケンスに基づく波フロントの空間的変調を確認した。
• 2ビット符号化構成は、1ビットバージョンよりもより複雑なビーム形成（ビーム分割および拡散を含む）を可能にした。
• 超薄型かつ柔軟な設計は、多機能的波制御を備えたコンactなテラヘルツシステムへの実用的統合を可能にする。