[论文解读] Gradient metasurfaces: fundamentals and applications

Fei Ding, Anders Pors+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2017

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 197被引用 4

一句话总结

本文综述了梯度超表面——一种平面亚波长共振单元阵列，可通过空间变化的相位、振幅和偏振响应精确控制光波前。文章全面概述了其设计原理、分类、物理机制及其在平面光学中的应用，包括透镜、全息图和偏振计，同时展望了其在非线性与可调谐超表面中的新兴潜力。

ABSTRACT

In the wake of intense research on metamaterials the two-dimensional analogue, known as metasurfaces, has attracted progressively increasing attention in recent years due to the ease of fabrication and smaller insertion losses, while enabling an unprecedented control over spatial distributions of transmitted and reflected optical fields. Metasurfaces represent optically thin planar arrays of resonant subwavelength elements that can be arranged in a strictly or quasi periodic fashion, or even in an aperiodic manner, depending on targeted optical wavefronts to be molded with their help. This paper reviews a broad subclass of metasurfaces, viz. gradient metasurfaces, which are devised to exhibit spatially varying optical responses resulting in spatially varying amplitudes, phases and polarizations of scattered fields. Starting with introducing the concept of gradient metasurfaces, we present classification of different metasurfaces from the viewpoint of their responses, differentiating electrical-dipole, geometric, reflective and Huygens' metasurfaces. The fundamental building blocks essential for the realization of metasurfaces are then discussed in order to elucidate the underlying physics of various physical realizations of both plasmonic and purely dielectric metasurfaces. We then overview the main applications of gradient metasurfaces, including waveplates, flat lenses, spiral phase plates, broadband absorbers, color printing, holograms, polarimeters and surface wave couplers. The review is terminated with a short section on recently developed nonlinear metasurfaces, followed by the outlook presenting our view on possible future developments and perspectives for future applications.

研究动机与目标

• 基于其光学响应机制，对梯度超表面进行系统性分类。
• 阐明等离子体与介质超表面作为梯度超表面基本构建单元的物理基础。
• 综述关键应用，如通过空间工程化相位与偏振控制实现的平面透镜、全息图和波片。
• 探索非线性梯度超表面这一新兴领域及其对未来光学器件的潜力。

提出的方法

• 根据其光学响应特性，将超表面分类为电偶极子型、几何型、反射型和赫兹反射型。
• 分析亚波长共振单元在实现空间变化相位与振幅分布中的作用。
• 考察等离子体与介质超表面作为低损耗、高效率梯度响应物理实现的潜力。
• 利用波前调控原理，设计能够以亚波长精度操控透射或反射光场的超表面。
• 应用赫兹原理与广义斯涅尔定律，对非周期与准周期排列中的波前调控进行建模与优化。
• 综述非线性超表面在频率转换与全光信号处理方面的理论与实验进展。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何根据相位、振幅和偏振控制等光学响应机制对超表面进行分类？
• RQ2 等离子体与介质梯度超表面中实现高效波前调控的基本物理机制是什么？
• RQ3 使超表面能够作为平面光学元件（如透镜与波片）工作的关键设计原则是什么？
• RQ4 非周期与准周期排列的超原子相较于周期结构如何提升波前控制能力？
• RQ5 将非线性光学效应集成到梯度超表面中以实现先进功能的前景与挑战是什么？

主要发现

• 梯度超表面通过空间工程化的亚波长共振单元，实现了对光的相位、振幅与偏振的全控制。
• 介质超表面相比等离子体结构具有更低的传播损耗与更高的效率，因此在宽带应用中更具优势。
• 平面透镜与全息图等应用展示了以亚波长精度实现的波前调控与高数值孔径性能。
• 全息超表面通过空间变化的相位分布实现了高衍射效率与多路复用功能。
• 基于梯度超表面的偏振计与表面波耦合器通过定制化偏振响应，展现出增强的灵敏度与方向性。
• 非线性超表面通过利用共振结构中的强场限制，为全光开关与频率转换开辟了新途径。