[논문 리뷰] Polarization-controlled anisotropic coding metamaterials at terahertz frequencies

Shuo Liu, Tie Jun Cui외 13명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 12.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 1비트 및 2비트 시퀀스를 사용한 디지털로 인코딩된 메타표면을 통해 타원형 주파수 대역에서 편광 제어가 가능한 이방성 코딩 메타물질을 제안한다. 편광에 기반한 위상 응답을 조절함으로써, 메타표면은 수평 및 수직 편광 반사파를 독립적으로 제어할 수 있으며, 실험적으로 검증된 3차원 빔 조작 및 근접장 분포 제어를 통해 동시에 비정상 반사, 빔 분할, 편광 변환을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 편광 상태에 따라 독립적으로 타원형 파장을 제어할 수 있는 재구성 가능한 메타표면을 개발하는 것.
• 기존의 등방성 코딩 메타물질의 한계를 극복하기 위해 편광에 의존하는 코딩 행동을 도입하는 것.
• 단일 초박공 메타표면 내에서 빔 분할 및 비정상 반사와 같은 다기능적 波front 형상 조절을 달성하는 것.
• 디지털 코딩 시퀀스가 수직 편광에 대해 서로 다른 산란 패턴을 생성할 수 있음을 실험적으로 입증하는 것.

제안 방법

• ‘0’ 및 ‘1’ 디지털 상태에 대해 반대 위상 응답을 가지는 특수 설계된 코딩 요소의 설계.
• 1비트 및 2비트 코딩 시퀀스를 활용하여 수평 및 수직 편광 성분에 대해 반사 타원형 파의 위상을 독립적으로 제어하는 것.
• 서브파장 단위 세포와 편광 민감성 공진 구조를 사용한 초박공이고 유연한 메타표면의 제작.
• 이중기능성 행동을 검증하기 위해 시뮬레이션된 원거리 산란 패턴과 근접 전기장 분포를 활용하는 것.
• 수직 입사 편광 조건 하에서 빔 굴절, 산란 및 편광 변환의 실험적 검증.
• 외부 조절 장치가 필요 없이도 동적 파면 제어를 실현하기 위해 디지털 코딩 원리를 적용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코딩 메타물질을 타원형 대역에서 편광에 의존하는 이방성 응답을 가지도록 설계할 수 있는가?
• RQ2 디지털 코딩 시퀀스를 어떻게 활용하여 타원형 파의 수평 및 수직 편광 성분에 대해 반사를 독립적으로 제어할 수 있는가?
• RQ3 단일 메타표면이 동시에 비정상 반사 및 편광 변환을 얼마나 잘 달성할 수 있는가?
• RQ4 수직 편광에 대해 시뮬레이션된 결과와 측정된 원거리 산란 패턴 간의 일치 정도는 어떠한가?
• RQ5 동일한 물리적 구조를 사용하여 다양한 편광 조건에서 서로 다른 빔 패턴을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 편광에 의존하는 코딩 시퀀스를 통해 메타표면은 수평 및 수직 편광 반사파를 성공적으로 독립적으로 제어하였다.
• 시뮬레이션된 원거리 산란 패턴과 측정된 결과 간에 뛰어난 일치를 보였으며, 예측된 빔 조작 능력을 확인하였다.
• 장치는 동시에 비정상 반사 및 편광 변환을 달성하였으며, 수직 편광 조건에서 서로 다른 빔 굴절 각도를 보였다.
• 근접 전기장 분포는 편광과 코딩 시퀀스에 따라 파면의 공간적 조절이 가능함을 확인하였다.
• 2비트 코딩 구성은 1비트 버전보다 더 복잡한 빔 형상 조절이 가능했으며, 빔 분할 및 산란을 포함하였다.
• 초박공이고 유연한 설계는 다기능 파면 제어를 갖춘 소형 타원형 시스템에 실용적으로 통합될 수 있음을 뒷받침한다.