[论文解读] General laws of reflection and refraction for subwavelength phase grating

Zhaona Wang, Yanyan Sun+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2013

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文利用费马原理和边界条件，推导出亚波长相位光栅的一般反射与透射定律，展示了负反射和负折射等异常现象。文中确定了全内反射的临界角，并提出一种基于一维相位掩模的超表面，以实现对光传播的定制相位移控制。

ABSTRACT

The general reflection and refraction laws at the metasurface with the abrupt phase shift were derived by two different methods of Fermat's principle and the boundary conditions respectively. It is found that one or two critical angles for total internal reflection exist when a light hits on the optical sparse material from the optical denser material, and one such a critical angle exists when light spreads from the optical sparse material to the optical denser material. Anomalous reflection and refraction, such as, negative reflection and negative refraction may occur when a light passes through the metasurface, and the conditions of their occurrence were given. Finally, a kind of metasurface based on one-dimensional phase mask was designed to control the light propagation.

研究动机与目标

• 建立具有突变相位跳变的超表面的一般化反射与折射定律。
• 分析负反射和负折射等异常光学现象发生的条件。
• 确定亚波长相位光栅中全内反射临界角的存在性及其数量。
• 设计一种基于一维相位掩模的实用超表面，以控制光传播。

提出的方法

• 利用费马原理推导反射与折射定律，以最小化光程长度。
• 独立地通过电磁边界条件推导，以验证所提出的定律。
• 分析相位梯度对亚波长结构中波前调控的影响。
• 基于光密介质与光疏介质之间的折射率对比，确定临界角。
• 建模相位延迟分布，以实现期望的光束偏转和异常传播。
• 设计一维相位掩模超表面，以实验实现所推导的定律。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，亚波长相位光栅上会发生负反射？
• RQ2 当光从光密介质传播至光疏介质时，全内反射存在多少个临界角？
• RQ3 什么因素决定了相位梯度超表面中负折射的发生？
• RQ4 所推导的定律与传统斯涅尔定律在亚波长尺度下有何不同？
• RQ5 能否基于广义定律设计一维相位掩模，以实现任意光束转向？

主要发现

• 当光从光密介质入射至光疏介质时，存在一个或两个全内反射临界角。
• 当光从光疏介质传播至光密介质时，仅存在一个临界角。
• 在特定相位梯度条件下，可发生异常反射与折射，包括负值。
• 通过费马原理与电磁边界条件推导出的广义反射与折射定律具有一致性。
• 成功设计了一维相位掩模超表面，基于所推导定律实现了光传播的控制。
• 理论框架可实现对光束方向与相位的精确调控，支持先进的波前整形。