[論文レビュー] Reconfigurable Curved Beams at Terahertz Frequencies Using Inverse-Designed Bilayer Diffractive Structures

Wei Jia, Miguel Gomez+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2026

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 0

ひとこと要約

著者らは、逆設計された二層非回折光学素子を用いた受動的で再構成可能なテラヘルツ曲線ビームを示す。第2層を180°回転させると、入射波や層設計を変更せずに伝播経路が変化し、結果はシミュレーションと実験で検証される。

ABSTRACT

Curved electromagnetic beams at terahertz (THz) frequencies have recently emerged as a powerful example of wavefront engineering, with applications in imaging and high-capacity wireless communications. Unlike canonical self-accelerating solutions such as Airy beams, general curved-beam propagation enables arbitrary, application-specific trajectories that are not constrained by analytic beam families. Here, we demonstrate a passive and reconfigurable approach for generating trajectory-engineered THz curved beams using inverse-designed bilayer diffractive optical elements (DOEs). Two phase-only diffractive layers are optimized using gradient-based inverse design to produce predetermined curved propagation paths. Reconfiguration is achieved by a 180° rotation of the second layer, which modifies the effective phase profile of the cascaded structure without altering the incident wave or individual layer designs. The proposed system can produce distinct curved trajectories with controlled transverse displacement and beam confinement, as confirmed by scalar diffraction simulations and experimental measurements. Overall, this work establishes inverse-designed cascaded DOEs as a compact and scalable platform for reconfigurable trajectory control of THz beams, providing a flexible alternative to analytic self-accelerating beams for radiative near-field THz communications.

研究の動機と目的

• imaging and 高容量無線アプリケーションのための軌道エンジニアリングTHzビームを動機づける。
• 逆設計二層DOEを用いたパッシブで再構成可能なビーム整形プラットフォームを開発する。
• 入射波や個々の層設計を変更せずに、異なる曲線伝搬経路を実現する。

提案手法

• 勾配法ベースの逆設計で位相のみを持つ2層のディフラクティブレイヤを最適化して、予め定められた曲線軌道を生成する。
• 二つの二層DOEをカスケードして全体の位相プロファイルとビーム経路を合わせる。
• 入射波や層設計を変更せずにカスケードされた位相を変調することで、第二層の180°回転によって再構成を実現する。
• スカラー回折シミュレーションで設計を検証し、軌道制御を確認するために実験測定を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 cascaded inverse-designed bilayer DOEの対となる組み合わせで、制御可能な曲線THzビーム軌道を生成できるか。
• RQ2 一方の層を180°回転させると、実効位相プロファイルと結果的なビーム経路にどのような影響があるか。
• RQ3 スカラー回折シミュレーションは再構成可能なTHzビームの実測値と一致するか。

主な発見

• カスケードされた二層DOEシステムは、異なる曲線THz軌道を生成できる。
• 第二層の180°回転により再構成が実現され、実効位相プロファイルを変更する。
• スカラー回折シミュレーションと実験測定で結果を確認した。
• THzビームの再構成可能な軌道制御のためのコンパクトでスケーラブルなプラットフォームを提供する。
• この手法は、放射近接場THz通信の解析的自己加速ビームの柔軟な代替を提供する。