KISS超表面研讨会：超表面简介

加州大学圣地亚哥分校 Noah A.Rubin -- KISS超表面研讨会 美国加利福尼亚州帕萨迪纳市 – 2024年9月23日至28日 演示大纲 2.3.4.1. 什么是指数面？概括性介绍。5. 潜在应用：天文学（包括高对比度成像）历史背景。衍射光学中相位传递方法超表面偏振光学 “超表面”是什么？ 一种定义：一种亚波长间距的移相单元阵列，旨在实现某种期望的行为（反射或透射），通常在自由空间中。这些单元——即“超原子”——可以根据需要设计，并使用标准的半导体制造技术制造。 超表面应用领域 此列表并非详尽无遗，本次演讲也必然存在疏漏。 在某些方面，任何涉及自由空间传播的课题都可以与超表面相关联，这使得该领域变得异常广泛。 超表面——炒作 • 超表面通常被称为“二维超材料”，在平面光学基板上制造。有时也称为• 科学文献乃至大众媒体中，充斥着关于超表面能够彻底重塑自由空间光学系统的说法。 本次演讲的重点 超表面领域正达到一个成熟阶段，我们不得不冷静地考虑这些技术在真实光学系统中可能——也可能不可能——具有的相关性。 所有超表面应用都涉及权衡取舍，有时相当显著。 • 在这次演讲中，我将（不完美地）回顾我认为是至关重要的物理原理——从非常高的层面上。 • 仅考虑无源超表面。 历史背景 何故，超表面，汝从何而来？ 第一个超表面 ……我大约按半英寸的边长，用平行排列的毛发围成一个正方形……我请一个钟表匠用两根细小的铜丝分别制作了非常精细的螺丝。在这些螺丝的螺纹中，106个螺纹的长度合计为一英寸，毛发以每组50或60根的数量排列其中。 F.霍普金森与D. 里滕豪斯, "一个由霍普金森先生提出的光学问题，并由里滕豪斯先生在《美国哲学学会汇刊》第2卷第201-6页（1786年）解决"。 第一个超表面 将毛发平行于缝隙，望向天空，我看到三条几乎亮度相等的平行线……我取出毛发，又放入其他的……这190根毛发（长度）为一英寸……此时，中间的三条亮线不再像之前那样明亮…… F.霍普金森与D. 里滕豪斯, "一个由霍普金森先生提出的光学问题，并由里滕豪斯先生在《美国哲学学会汇刊》第2卷第201-6页（1786年）解决"。 第一个超构透镜 两者均源于1810年至1820年间菲涅尔的研究。 射频/微波领域的预期 反射阵列——（例如来自NASA喷气推进实验室的MarCO立方卫星，f ~ 420 MHz） 许多超表面概念在射频领域有着悠久的历史，在该领域，特征可以具有宏观尺寸。 雷达相控阵（f ~ 420 MHz，美国冷战时期导弹预警系统的一部分） 全息术 丹尼斯·加博——1971年诺贝尔物理学奖，获奖理由为全息照相 记录并重建波的干扰。 计算机全息术 “通常，全息图是通过干涉实验产生的。”然而，在这里，我们让计算机控制的绘图仪绘制全息图……“超表面”是计算机生成的全息图 滤光片或全息图的制作首先以大规模进行，然后通过照相缩小……在一个案例中，绘图是手工完成的；在另一个案例中，则由计算机控制的绘图仪完成。 应用光学 BR 布朗和 AW 洛曼，5 (6)，IBM 研究与开发 BR布朗和 AW 洛曼，13 1966 不言而喻，我们在印刷方面已经做得更好了。 电子束光刻技术一直以来所能实现的可能性都远超预期。 我们通过在包括玻璃、硅和塑料在内的基板上制造微观图案，设计和生产具有独特光学特性的透镜。衍射透镜不仅比传统折射透镜更轻、更小、成本更低，而且还能执行传统折射透镜无法实现的功能。 数字光学公司（约1995年）营销材料 那么，为什么超表面在2024年被视为一个新兴领域？ “Metamaterials” 负折射率 超材料领域旨在通过控制人工电磁介质的本构参数（ε, μ）来探索新型器件和物理现象。 超表面（超材料）的起源 （来自等离子体超材料） 为超材料领域界定了衍射光学原理，并由此引发了一系列至今仍在持续的研究热潮。 我们今天所说的“超表面”代表了多个具有不同历史和术语体系的学科领域的融合。在某种程度上，这更像是一种进化而非革命。 这导致越来越多的人开始关注衍射光学——拥有比以往更广泛分布的计算和制造资源。 基本设计考量 超表面中心法则 3. 近场 麦克斯韦方程组所规定的超表面正上方的区域 5. 远场 某些期望功能应使光学器件具备优势，作为评判标准。 4. 传播者 可以是精确的（例如，平面波展开），也可以是近似的（例如，夫琅禾费区域中的傅里叶变换）。 常见假设：• 具有固定角度和偏振的平面波 通常情况下，这需要在大范围、宏观尺度上求解麦克斯韦方程组。 2. 超表面常见假设：固定高度 超表面局部近似光学局部近似 #1：超表面对场进行局部作用（它是光学薄的） 与该领域内众所周知的“薄”与“厚”全息图的区别非常相似。 超表面局部近似光学局部近似 #2：“局部周期”近似 ……x基于图书馆的 • 允许超表面设计。• 设计可以从麦克斯韦方程式中抽象出一层。这两种局部近似都是描述小角度（小）... 我们为什么要强调“亚波长”？ y采样、傅里叶和奈奎斯特 亚波长采样抑制了高阶效应，并允许对整个角半空间进行控制。 我们为什么只谈论阶段？ 损失 • 调节振幅通常意味着仅（增益很难实现）。 • 控制振幅通常会导致光子损失。 然而，调相+传播可以实现振幅重分配调制！通过光，而不是吸收。 • 折射光学的一个基本特征！ 与“相位检索”的概念密切相关！ 传递相位的方法：传播“传统” 传递相位的方法：几何相位 • 基于参考系效应的极化转换阶段。 • 相位变换是无色散的。•…但效率不是。• 当前日冕仪中使用的液晶几何相位光学的基础。 传递相位的方法：绕行 • 利用非正入射时固有的相位色散。• 1960年代首次CGH演示中使用的技巧。 传递相位的方法：谐振 超表面偏振光学 双折射 正交偏振态的差分相位延迟 Shape: Material: 超表面与偏振 简单的柱状元件实现约略酉对称的琼斯矩阵变换。 琼斯矩阵傅里叶光学 超表面是一种平行偏振器件，其远场中的每一部分都可以实现不同的偏振。 光学元件。NA Rubin 等人，《科学》365卷（6448期），2019年，《科学进展》NA Rubin、A Zaidi、AH Dorrah、Z Shi 和 F Capasso，《光学与光子学进展》7卷（33期），2021年，NA Rubin、Z Shi 和 F Capasso，《光学与光子学进展》13卷（4期），2021年 关于极化方面的更多信息： 本次演示是对一个广泛主题的简要概述。欲了解更多信息，请参阅综述文章： NA Rubin，ZS Shi和F.Capasso. 《Advances in Capasso,Optics & Photonics》第13卷第4期，2021年. 包含有关偏振敏感超表面的理论、历史和应用细节。 天文学领域的新兴应用 超表面偏振分束器 由上述许多单元胞构成的光栅将光线衍射到四个起偏振作用的内部衍射级次。 NA Rubin et al.,Science365(6448), 2019 天体物理偏振测量 合作方： • 一台在其光瞳平面配备超表面偏振分析光栅的望远镜。• 能够实现对整个太阳圆盘的全斯托克斯矢量进行同步、无源采集。 泽尼克波前传感器 24。 光斑 coronagraphy 用的涡旋相位板 • 涡旋相位分布充当角度选择性滤波器，用以区分轴上光与轴外光。• 需要高度消色差。 液晶对比 几何相位液晶光学* 介电超表面： • 制造难度高。• 制作多层结构更具挑战性。 • 最高的空间分辨率。 • 增强的偏振控制能力。 •可选用偏振敏感型或不敏感型。 •适用于太空的光学材料。 • 可轻松在大面积上形成图案。• 自对准和旋涂技术可实现多层沉积，从而增强消色差性能。