Métamatériau, un nouveau tridimensionnel matériau électromagnétique artificiel périodique, typiquement constituée d'un métal / diélectrique ou totalement diélectrique, micro-onde, terahertz bande par effet de résonance du champ électrique ou magnétique dont la structure cellulaire comparable à la longueur d'onde de l'onde électromagnétique, par exemple capacité spéciale de manipuler l'onde électromagnétique a été largement étudié dans la dernière décennie comme un parfait absorbeur furtivité , la réduction de diffusion et analogues. Toutefois, dans le micro et nano-échelle, l'application des pertes de produits ultra-élevé en raison de la difficulté de produire un trois dimensions et entravé et restreint. surface plane Ultra-dimensionnelle est un métamatériau possédant une épaisseur de Subwavelength, par rapport au calcul de l'excès de matériau sur une surface ayant une plus petite taille physique, facile à fabriquer, plus faible perte et d'autres avantages, par conséquent, dans de nombreuses applications, la surface peut être remplacé sur Structure tridimensionnelle d'un volume plus important de la métamatériau. Ces dernières années, une grande attention sur la surface des applications potentielles pour les chercheurs du monde entier, y compris convertisseur de polarisation , le plan de l'objectif , la plaque de phase tourbillonner , surface super codé numériquement et imagerie holographique et analogues.
Le front d'onde électromagnétique accordable dans la régulation de ses phases, selon le principe de Fermat, une transition de phase des ondes électromagnétiques le long du trajet de propagation des effets cumulatifs. Ainsi, l'espace nécessaire pour commander le changement ou en faisant varier l'indice de réfraction de la géométrie globale de l'élément optique classique du front d'onde pour parvenir à l'accumulation de phase. Toutefois, étant donné la constante diélectrique des matériaux naturels limités, couramment utilisé pour obtenir une surface incurvée (en raison de sa grande taille, le poids, la complexité du processus de conception), il est devenu de plus en plus l'intégration moderne des systèmes électro-optiques et de la miniaturisation des troubles de la demande. Ainsi, pour réaliser l'onde électromagnétique dans le contrôle de phase micro-nano-échelle est devenue la clé de l'optique moderne et le développement des micro-nano optique.
ultracentrifugation à gradient se réfère à une surface capable de faire un réseau périodique de l'incident d'épaisseur négligeable cellulaire et résonne d'ondes électromagnétiques en réponse, et de faire des mutations de la structure de phase incidents de sous-longueur d'onde. Un tel gradient de super-surface sur la base de phase peut être de telle sorte qu'une onde réfléchie se produit à une surface de délimitation ou sur des surfaces de la direction de propagation de l'onde émise réfractée ou déviée d'anomalie. En 2011, l'Université de Harvard CAPASSO F et al discontinuité de phase d'étude de la capacité de régulation des ondes électromagnétiques, une généralisation de la loi de Snell et la dérivation théorique correspondant , publié dans la revue « Science » sur. Les premières années, la réfraction et la réflexion bande optique loi de réfraction anormale de réflexion ne peuvent pas être expliquées par Snell conventionnelle. Professeur CAPASSO équipe F en termes de concepts et applications de départ, après la loi de longue traditionnelle Snell, la loi seulement après l'extension des ondes électromagnétiques émises en mesure anormale pour rendre l'interprétation parfaite, et prévoit la réglementation du champ d'ondes électromagnétiques avant la nouvelle façon de penser, l'application des dispositifs électromagnétiques et la régulation du plan optique THz a ouvert une nouvelle voie.
Cet article décrit un domaine ultra-important gradient de surface typique des dispositifs, de la méthode de régulation de la phase de conception ultra-surface, a résumé leurs principes et applications, puis sur le prochain développement de surface super et les perspectives d'application respectives.
Principe 1 Introduction
1.1 généralisée de la loi de Snell
En 2011, l'équipe de professeur CAPASSO F a été introduit à l'interface entre deux milieux de mutation de déphasage, du point de vue unidimensionnel, la dérivation basé sur le principe réfraction anormale de Fermat et de réflexion du projet généralisé loi de Snell . Dans la configuration ultra-mince à deux surface d'interface diélectrique, qui fournira l'incident gradient linéaire changement de phase brusque, ce qui introduit un décalage de phase dépendant de la position (x), comme représenté sur la Fig.
Considérons un angle d'incidence des ondes électromagnétiques i, deux types de réflexion anormale et la loi de réfraction peuvent être écrits comme:
1.2 phase de Pancharatnam-Berry
phase de surface ultra ou des variations d'amplitude en fonction de la géométrie de la structure de cellule est modifiée, la phase de Pancharatnam-Berry (phase PB) se réfère à la direction de l'angle de commande de phase en ajustant la géométrie de la cellule ayant la même structure sont mises en uvre , comme représenté sur la Fig. Dans l'incidence normale des ondes électromagnétiques, ondes à polarisation circulaire (CP) lorsque la direction de polarisation des deux directions principales microstructure de l'axe x en tant qu'axe de départ, lorsque la microstructure à un angle de rotation , il y a une onde de sortie incrément de phase (± i · 2) et l'onde incidente primaire chirale agite la sortie et la chiralité opposée. Ainsi, ce procédé d'une microstructure peut être tourné autour de la couverture totale répondre efficacement 2 décalage de phase, le procédé de modulation de phase peut réaliser la régulation de l'onde électromagnétique.
2 appareils et applications sur la surface
2.1 surface super numérique programmable
Etude de l'étape Ultra-surface comprend trois types, comme indiqué dans le tableau 1. paramètres de médias continus utilisés pour décrire la surface d'un (simulation de surface ultra) conventionnelle ultra, une macrostructure uniforme pas décrit de manière bien tout équivalent. 2014, « codage surface super », « surface super programmable » et autres ont été nouveau concept proposé , le professeur Cui moyen de l'équipe Tiejun en utilisant la commande numérique, analogique microcellules 0 ° réponse en phase « 0 » numérique binaire et 180 ° correspond à l'état numérique « 1 » pour réaliser la régulation numérique de l'onde électromagnétique.
Par rapport à la surface super-classique, la surface ayant un grand avantage ultra- codé numériquement dans la conception, comme représenté sur la Fig. Dans la régulation du champ électromagnétique, qui est simple dans la conception, le fonctionnement flexible.
2.1.1 super-codage de surface isotrope
Règlement progressivement la théorie de la matrice sur la surface à codage similaire : la division cellulaire super-surface (M × M), caractérisé par des « 0 » ou « 1 » du code numérique est rempli dans chaque cellule de la matrice facteur de directivité peut être écrit:
À l'heure actuelle, deux états du codage binaire des plus simple dans sa conception, mais la plupart du temps de réflexion, puisque le manque de sensibilité de polarisation isotrope sur la surface, largement utilisé dans la diffusion réduite . 2015, le professeur Cui groupe Tiejun a proposé une surface super-réfléchissant à base de structure de noyau de codage de 1 bit ,. La figure 4 (a) montre la Fig. La Fig. 4 (b) représente 0,4 à 1,8 THz ~ large bande peut être réalisé de code « 1 » et « 0 » qui reflète la différence de phase est d'environ 180 °.
Un tel type 1 bit codé surface réfléchissante sur une large gamme de fréquences de 0,80 ~ 1,4 THz, le facteur de réflexion est inférieur à -10 dB, et la polarisation de l'onde incidente est non sensible, de la réflexion diffuse spatiale terahertz onde dans une large gamme de fréquences, jouer un rôle important dans la réduction du champ.
Dans la bande d'onde térahertz, une large gamme d'angles de la régulation du faisceau électromagnétique nécessite forme codée à bits multiples à la Fig. 5 (a) est une 2-bit codé surface réfléchissante à une nouvelle structure ultra évidement en forme de bague carrée , en raison de la structure ayant la même symétrie peut être rendue incidente sur la direction de polarisation de l'autre position spatiale du réfléchie à travers, ce choix de schéma de codage multi-bit peut être la distribution d'énergie dispersée de manière efficace, un contrôle efficace de l'onde térahertz diffusément réflexion fournit un moyen efficace.
2.1.2 Super codage de surface anisotrope
2016, une autre codant pour une onde électromagnétique anisotrope est alors proposé par la régulation , différentes directions de polarisation différentes pour provoquer la distribution de phase, à savoir qu'il existe différentes fonctions du mode de commande de faisceau, comme représenté sur la Fig.
Microcellule et une structure en haltère en forme composée de morceaux carrés, pour les différentes phases de polarisation, la surface présente la répartition des bandes de réseau et l'agencement de grille, la x-polarisation, l'onde incidente réfléchie vers les quatre symétrie de faisceau symétrique externe, tandis que y direction, deux réflexion symétrique du faisceau de crayon vers l'extérieur .
Un tel multi-bits codant surface anisotrope sur une bonne perspective dans les dispositifs multi-fonctions, les caractéristiques d'ondes à double polarisation peut être dévié et le faisceau se combinent efficacement pour obtenir un contrôle efficace des ondes électromagnétiques; terahertz onde dans le domaine des communications, multipolaires signaux modulés des ondes terahertz peuvent être augmentation de la capacité de l'information, d'améliorer la communication à vitesse de transmission, en outre, l'image à polarisation double codage a un grand potentiel dans l'imagerie holographique numérique.
2.2 faisceau de vortex
Et porte un moment angulaire orbital (OAM) est un faisceau de vortex avant ayant une résistance à la coupe transversale annulaire et la phase de la spirale de faisceau d'onde . [Theta] disponible expression exp (il) indique qu'il y a un facteur de phase = il, où est la rotation du plan perpendiculaire à la direction de propagation de l'azimut, l est le nombre de charge topologique de fois de torsion dans une longueur d'onde. moment cinétique orbital L équation L = lh disponible, h est la constante de Planck.
Dans la plage de fréquence terahertz, une petite forme pointue de telle sorte qu'une plaque de phase en spirale étagé de grande taille classique ne soit plus applicable; antenne complexité du réseau d'alimentation de réseau limite également l'application des faisceaux de vortex. Et fixé à la surface ultra-coupe de l'orientation de rotation de résonance électromagnétique artificielle P-B ou un changement de phase , à titre de phase de régulation souple, de réaliser efficacement un vortex poutres.
faisceau d'excitation en mode de défilement actuelle surface artificielle sur trois classes principales, comme le montre le tableau 2.
2.2.1 vortex faisceau d'excitation de l'onde polarisée linéairement
En 2011, l'Université de Harvard et Yu Nanfang GENEVET P et al en utilisant une phase de microstructure caractéristique de résonance de type V à la généralisation de la loi de Snell en fonction de la surface divisée 8 ultra retard de zone / 4, ± 1 afin d'obtenir un vortex faisceau, publié dans le Journal "science" , comme le montre la figure. Après qu'il repose sur les différentes structures (y compris le type C, de type U, L-type, etc.) de faisceau sur la surface de défilement du produit a été le développement rapide .
excitation de la microstructure de type V linéaire onde polarisée peut être généré deux résonances modes symétriques et asymétriques, comme représenté sur la Fig. Etant donné que le mode de réalisation de l'accouplement de deux résonances peut être efficacement couvre 0 ~ 2 décalage de phase, la phase de l'onde électromagnétique régulation bénéfique.
Le procédé selon cette conception le simple phase de division de région annulaire, un traitement facile, la Fig. 9 est un mode de génération de défilement du faisceau multi-étages , chaque faisceau de mode de défilement orthogonales entre elles, pour une efficacité spectrale communication sans fil capacité d'information augmente importante.
2.2.2 vortex faisceau d'excitation de l'onde à polarisation circulaire
Le procédé de génération de faisceaux de vortex d'ordre élevé de phase basée sur les principes de la P-B par rapport aux formes de résonance, de conception plus simple, la structure cellulaire peut être obtenue par rotation de l'angle de direction. La figure 10 montre un rouleau de ± méthode de génération de faisceau 2 d'ordre de , ultra-surface de la matrice dans une structure unitaire rotation de l'anneau azimutal couverture 2 [pi], l'angle de phase de la direction du couvercle 4 [pi], à gauche et droitier onde incidente polarisée circulairement sur charge topologique peut être obtenu L est un nombre de ± 2 faisceaux de vortex.
2.2.3 surface par plasma vortex faisceau d'excitation d'onde
2018, Université de Shanghai pour Académicien équipe Zhuang Songlin et l'Université de Melbourne, la coopération en Australie dans l'utilisation des ondes plasmons de surface dans le moment angulaire orbital du faisceau térahertz du contrôle de vortex a réalisé une percée , illustré à la figure 11.
La gravure de la fine structure en forme de fente rectangulaire en métal, et disposés de manière circulaire, par réglage de la phase géométrique de l'air, l'élan dans la régulation de plusieurs charge topologique à toute onde polarisée circulairement angulaire orbital est incidente, ce procédé future communication THz, le contrôle de moment angulaire orbital et d'autres applications ont un grand potentiel.
2.3 super plan de la lentille
L'onde incidente de la lentille de focalisation traditionnelle est obtenue en accumulant l'espace de phase, et donc un besoin de distribution de phase différente de compter sur la surface pour ajuster l'épaisseur du matériau, présentant une épaisseur non uniforme et présente certaines caractéristiques. En revanche, sur la base de la surface de lentille peut être négligeable ultra réaliser une modulation de phase sur le plan d'incidence, ce qui réduit considérablement la taille de l'épaisseur de la lentille. Afin d'atteindre le focus, typiquement la face avant de l'onde plane incidente ultra est un remodelage de front d'onde sphérique . La relation entre le plan de la lentille et ses positions de décalage de phase des points respectifs sont les suivants:
Dans lequel, la phase [phi] est muté, F est la distance focale, la distance R est la distribution radiale de la lentille vers l'extérieur. Actuellement, selon le plan du matériau de la lentille sur l'accordabilité il peut être divisé en deux catégories, comme indiqué dans le tableau 3.
2.3.1 planes statiques metalens
lentille plane super-statique formée d'une seule couche ou multicouche est généralement matrices microstructure. 2015, une université de bande passante Tianjin Professeur Zhang équipe de force a recueilli plus de 0,4 plan de lentille THz , comme le montre la figure. Sur la base de la structure métallique de phase unique de type C résonance peut être déphasage 2 recouvert de manière efficace et configuration de l'unité de réseau de transmission peut être stabilisé à environ 0,5.
Un tel métal plat monocouche ou multicouche à base de super lentille peut satisfaire le principe de la modulation de phase, et permettant faisceau focalisé large bande et d'autres fonctions. Ces lentilles planes statiques peuvent être largement utilisés dans une imagerie au microscope laser et la spectroscopie.
La figure 13 montre un avion multi-focale de l'objectif . Sélectionner la géométrie de la lentille plane en fonction de la phase de régulation de rotation, en utilisant l'appareil comme une structure d'antenne à fente peuvent être différents états de spin de l'incident focalisé sur deux points focaux séparés dans une bande de fréquence large, en se concentrant multi-spots. Un tel multifocale fournir un système d'imagerie miroir plan de premier plan pour le développement des appareils compacts et opto-électroniques.
2.3.2 lentille accordable Hyperplan
lentille accordable essentiellement à plat sur un matériau à deux dimensions, les caractéristiques de changement de phase du matériau de la lentille pour réaliser la fonction de réglage ultra-plan . Graphène metalens en mélangeant le graphène actif avec une surface métallique ou diélectrique avec ultra-liaison, directement ou au-dessus de la surface de la structure de graphène comme matériau pour contrôler le front d'onde.
La figure 14 (a) montre un graphène réfléchissant sur la base de la lentille de mise au point réglable , la lentille est formée d'un réseau rectangulaire d'ouvertures. En ajustant le niveau de Fermi de graphène, puis ajuster dynamiquement les propriétés optiques du plasmon de surface est le plasma, ce qui entraîne un changement de phase brusque de la lumière réfléchie. Qui met en oeuvre ou se concentrent les ondes terahertz d'intensité focal contrôle dynamique polarisées circulairement, la plage dynamique de la mise au point de 44 pm.
le dioxyde de vanadium (VO2) du matériau à changement de phase peut être obtenue à l'état métallique et l'état moyen de conversion de contrôle de la lumière, en utilisant la VO2 de surface holographique dynamique et la conception de silicium en utilisant le commutateur de polarisation diélectrique sont facilement extension de base sur la surface active du composant optique planaire sur, a un grand potentiel dans les applications de plan de lentille caméra autofocus ultrarapide de zoom photosensibles.
2.4 holographie
1948, la technique de formation d'image holographique est proposé par GABOR E D, en irradiant le faisceau de diffraction de l'hologramme (enregistrement d'un motif d'interférence optique) après la reconstruction de l'imagerie tridimensionnelle de l'objet . Par la suite, l'imagerie holographique est largement disponible dans l'assistance informatique reconfigurable, par exemple, un modulateur spatial de lumière reconfigurable (SLM) réglable . Bien que la surface ultra du dirigeable souple progressivement de telle sorte que la technologie d'imagerie holographique développée, en liaison avec la plaque de phase holographique de Gerchberg-Saxton algorithme itératif dans l'imagerie numérique 3D, le stockage de la mémoire, terahertz transmission d'informations optiques, une entrée de porteuse semi-conductrice valeur extraordinaire sur le transport et d'autres applications.
3 Résumé et perspectives
surface Ultra est une option pour remplacer l'élément électromagnétique traditionnel le plus prometteur, est plus approprié pour la miniaturisation du dispositif photovoltaïque de haute intégration. Dans la bande térahertz, l'un des facteurs clés de performance que l'efficacité, l'efficience de la surface ultra-existante besoin d'être encore améliorée. En raison d'un diélectrique d'indice de réfraction élevé ou semi-conducteur sur une perte de temps de longueur d'onde plus faible, en particulier la surface d'application ultra large silicium totalement diélectrique, en vue d'atteindre la surface ultra-actif, tel qu'un matériau à changement de phase, un matériau à deux dimensions, tel que le cristal liquide pour atteindre réglable la performance. En outre, du point de vue pratique, la surface super-préparé sur un substrat flexible ayant une large gamme d'applications.
Au cours des dernières années, le développement rapide sur la surface du dispositif, mais l'intégration de l'appareil et réduire encore plus la perte de trouver une solution complète satisfaisante, est encore un long chemin à parcourir. Dans un avenir proche, sur la surface du dispositif va jouer une plus grande valeur pratique, ce qui favorisera aussi le développement intégré du térahertz système optique.
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Informations sur l'auteur:
Kou Wei, CHEN Ting, YANG Zi Qiang 1, Liang Shixiong 2
(École des sciences et du génie électronique, Université de science et technologie de la Chine, Chengdu 610054, Chine;
2. Laboratoire clé du groupe ASIC Electronics Technology Corporation 13 Institut de recherche en Chine, Hebei Shijiazhuang 050051, Chine)
