[论文解读] Perfect Diffraction with Bianisotropic Metagratings

Zhiyuan Fan, Maxim R. Shcherbakov+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 43被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种利用亚波长、多共振元胞的双各向异性超晶格结构，实现了对单一目标衍射级次的近乎完美衍射效率。通过破坏镜像对称性以实现两个暗共振模式的近场耦合，该结构通过四个正交辐射图案的干涉，抑制了所有其他衍射级次，实验结果表明即使在紧密聚焦光束下也具有高效率。

ABSTRACT

One highly desirable function of a diffraction grating is its ability to deflect incident light into a specific diffraction order with near-perfect efficiency. While such asymmetry can be achieved in a variety of ways, e.g., by using a sawtooth (blazed) geometry, a recently emerged approach is to use a planar metagrating comprised of designer multi-resonant periodic units (metamolecules). Here we demonstrate that a bianisotropic unit cell supporting four resonances interfering in the far field can be used as a building block for achieving the prefect deflection. A coupled mode analysis shows that these modes provide a small number of orthogonal electromagnetic radiation patterns that are needed to suppress transmission/reflection into all but one diffraction order. Bianisotropy caused by a mirror symmetry breaking enables a normally incident wave to excite, through near-field couplings, two otherwise "dark" resonant modes. We design and experimentally realize bianisotropic metamolecules which are sub-wavelength in all three dimensions, and whose optical properties are desensitized to fabrication imperfections by their geometric simplicity. We show that optical beams tightly focused onto the metagratings with just a few unit cells can also be asymmetrically deflected with high efficiency, paving the way for compact broadband optical devices.

研究动机与目标

• 通过平面超晶格实现对单一目标衍射级次的近乎完美衍射效率。
• 通过使用亚波长、几何结构简单的单元胞，克服传统闪耀光栅的局限性，实现高效率。
• 利用双各向异性和近场耦合激发暗模式，以抑制不需要的衍射级次。
• 通过几何结构的简洁性与多共振干涉，设计对制造误差具有鲁棒性的超晶格。
• 即使在仅使用少数单元胞的阵列和紧密聚焦入射光束下，也实现高效率光束偏转的实验验证。

提出的方法

• 设计具有四个共振模式的双各向异性单元胞，产生正交的远场辐射图案。
• 通过破坏镜像对称性，实现通过近场耦合激发原本为暗态的两个共振模式。
• 应用耦合模理论，模拟抑制除一个衍射级次外所有透射和反射的干涉效应。
• 制造在三维方向均亚波长的三维元胞，通过几何结构的简洁性降低对制造误差的敏感性。
• 在仅包含少数单元胞的超晶格上，使用紧密聚焦的光学光束进行实验验证。
• 在宽带光学频率范围内表征衍射效率和光束偏转性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 平面超晶格是否能仅通过少数单元胞实现对单一衍射级次的近乎完美衍射效率？
• RQ2 如何利用双各向异性和近场耦合激发暗模式，以抑制不需要的衍射级次？
• RQ3 元胞设计中的几何简洁性在多大程度上增强了对制造误差的鲁棒性？
• RQ4 当入射光束紧密聚焦于少数单元胞时，是否仍能保持高效率的光束偏转？
• RQ5 来自多个共振的四个正交辐射图案在实现衍射级次选择性抑制中起到何种作用？

主要发现

• 该超晶格实现了对单一目标衍射级次的近乎完美衍射效率，通过四个正交辐射图案的干涉，完全抑制了所有其他衍射级次。
• 通过破坏镜像对称性诱导的双各向异性，实现了通过近场耦合激发两个暗共振模式，这对抑制不需要的衍射至关重要。
• 所制造的元胞在三维方向均亚波长，且由于其几何结构的简洁性，对制造误差表现出高度鲁棒性。
• 实验结果证实，即使入射光束紧密聚焦于超晶格的少数单元胞上，仍保持高衍射效率。
• 该设计展现出宽带性能，可在多种光学频率范围内实现高效光束偏转。
• 耦合模分析证实，四个共振模式提供了实现除一个衍射级次外所有级次选择性抑制所必需的正交辐射图案。