[论文解读] Transverse scattering with the generalised Kerker effect in high-index nanoparticles

Hadi K. Shamkhi, Kseniia V. Baryshnikova+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在高折射率介质纳米颗粒中实现的新型横向散射效应，该效应通过电偶极子与非共振四极子之间的法诺干涉实现，同时抑制前向和后向散射。结果是产生高度定向的横向辐射，通过设计具有近零反射和强场增强的介质超表面，可应用于共振滤波、传感和非线性光学。

ABSTRACT

All-dielectric resonant nanophotonics lies at the heart of modern optics and nanotechnology due to the unique possibilities to control scattering of light from high-index dielectric nanoparticles and metasurfaces. One of the important concepts of dielectric Mie-resonant nanophotonics is associated with the Kerker effect that drives the unidirectional scattering of light from nanoantennas and Huygens' metasurfaces. Here we suggest and demonstrate experimentally a novel effect manifested in the nearly complete simultaneous suppression of both forward and backward scattered fields. This effect is governed by the Fano interference between an electric dipole and off-resonant quadrupoles, providing necessary phases and amplitudes of the scattered fields to achieve the transverse scattering. We extend this concept to dielectric metasurfaces that demonstrate zero reflection with transverse scattering and strong field enhancement for resonant light filtering, nonlinear effects, and sensing.

研究动机与目标

• 为克服传统凯尔ker效应仅能实现单向散射的局限性，提出一种可同时抑制前向与后向散射的新机制。
• 探索电偶极子与非共振四极子模式之间法诺干涉在高折射率介质纳米颗粒中实现横向散射的潜力。
• 将横向散射效应扩展至介质超表面，以实现共振光滤波、传感和非线性光学的应用。
• 通过调控多极模式之间的干涉条件，在超表面中实现近零反射与强场增强。

提出的方法

• 利用高折射率介质纳米颗粒中的米氏共振，激发具有特定相位和振幅关系的电偶极子与四极子模式。
• 通过系统设计诱导电偶极子与非共振四极子模式之间的法诺干涉，实现在前向与后向方向的相消干涉。
• 设计具有精确几何与材料参数的介质超表面，以维持所需的多极干涉并实现横向散射。
• 采用全波电磁仿真与实验验证相结合的方法，确认前向与后向散射的抑制以及横向辐射图案的出现。
• 分析场分布与散射图案，量化超表面结构中的场增强与反射抑制程度。
• 利用多极模式的对称性与相位调控，实现背向散射极小化的定向横向辐射。

实验结果

研究问题

• RQ1 电偶极子与非共振四极子模式之间的法诺干涉是否能在高折射率介质纳米颗粒中同时抑制前向与后向散射？
• RQ2 在介质纳米结构中通过多极干涉实现横向散射所需的相位与振幅条件是什么？
• RQ3 如何将单个纳米颗粒中的横向散射效应扩展至介质超表面，以实现实际光子学应用？
• RQ4 在该类超表面中，反射可被最小化到何种程度，同时实现强场增强？
• RQ5 横向散射对全介质纳米光子系统中的共振滤波、非线性效应与传感性能有何影响？

主要发现

• 所提出的机制通过电偶极子与非共振四极子模式之间的法诺干涉，实现了前向与后向散射场的近乎完全抑制。
• 该系统表现出强烈的横向散射，前向与后向方向辐射极弱，从而实现高度定向的横向辐射。
• 基于该效应的介质超表面表现出近零反射，可实现高效的光-物质相互作用与强场增强。
• 超表面结构中的场增强显著，适用于共振滤波与非线性光学效应。
• 实验结果证实了理论预测的横向散射特性及在高折射率介质纳米结构中后向散射的抑制。
• 该方法为设计具有可调散射特性、适用于传感与集成光子器件的全介质超表面提供了新途径。