[论文解读] Engineering correlated disorder for exotic light scattering diagrams

Denis Langevin, Emma Bosbaty-Galliot+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2026

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 0

一句话总结

本文表明二维发射体阵列的相关性无序可以定制光散射，揭示衍射阶、漫反射背景和相关晕，并实现散射图样的反向设计。

ABSTRACT

Diffuse scattering of light from disordered assemblies is traditionally viewed as an uncontrollable broadband scattering background resulting in whitish hues. Here, we demonstrate that correlated disorder enables precise engineering of light scattering from 2D arrays of emitters resulting in strong observable colors. Our analytical framework shows that introducing controlled noise, with tunable probability density functions and correlations, generates three distinct scattering components: diffraction orders, diffuse background, and correlation halos. Correlation halos, often mistaken for broadened diffraction peaks, are independent features whose positions depend on correlation range and can appear between Bragg peaks. Crucially, they persist far beyond the regime where diffraction orders vanish. The noise probability density function provides an additional control: specific diffraction orders can be selectively suppressed while preserving others. This approach reproduces the scattering signatures of natural photonic structures, e.g. found in Morpho butterflies, and reveals multiple pathways from order to disorder, each with distinct optical properties. Our work provides a practical method for inverse design -finding the disorder that produces desired scattering patterns. This establishes diffuse scattering as a designable quantity, expanding the toolkit for metasurfaces and structural color beyond periodic and hyperuniform structures.

研究动机与目标

• 将无序作为光学散射设计工具的研究动机，超越周期性与超均匀结构的局限。
• 建立将扰动统计与远场散射分量联系起来的解析框架。
• 通过控制无序统计实现散射特征的反向设计，以获得期望的散射信号。

提出的方法

• 将发射体位置建模为 x_n = n d + ε_n，具有受控噪声 ε_n。
• 定义 Δ_m^(j) = ε_{j+m} - ε_j，以表征空间相关性。
• 推导考虑漫反射背景、布拉格样式衍射和相关晕项的平均散射强度 I(k_x)。
• 展示噪声分布的概率密度函数 ρ_ε(ε)及其傅里叶变换如何塑形散射，包括选择性抑制某些衍射阶。
• 提供一个产生具有定义的 S_d（噪声强度）和 L_c（相关长度）的噪声的实用方法。
• 把分析从一维扩展到二维结构，并讨论对 Morpho 褐蝶等自然结构的意义。

实验结果

研究问题

• RQ1 扰动的统计特征（PDF与相关性）如何影响远场散射模式？
• RQ2 除传统衍射与漫反射背景外，相关无序带来的不同散射分量有哪些？
• RQ3 是否能通过设计无序来选择性抑制或增强特定衍射阶，同时保留其他阶？
• RQ4 相关晕在布拉格峰消失的范围外是否仍然存在，如何控制？
• RQ5 该框架如何实现二维超表面散射图样的反向设计？

主要发现

• 出现三种散射分量：漫反射背景、衍射样项与相关晕。
• 相关晕是独立的特征，其位置取决于相关范围，并可能出现在布拉格峰之间。
• 增大无序强度可抑制衍射峰，同时保留相关晕。
• 相关项可产生负贡献，在接近镜面方向的漫射背景上形成孔洞。
• 噪声的概率密度及其傅里叶变换控制观察到的衍射阶，实现选择性抑制或增强。
• 该框架扩展到二维，产生二维相关晕和非对称散射图样，能拟合自然结构的特征。