介电超表面--各向异性介质中的偏振自由度_光学_Electric_材料_控制

介电超表面--各向异性介质中的偏振自由度

偏振自由度是各向同性均匀介质中平面波传播的固有特性。光学系统的小型化虽然实现了电磁波的高局域化，但也导致了偏振控制的丧失，即打破了TE-TM偏振简并。有研究发现，在介电超表面中传播的高局域化引导波具有近场偏振自由度。为利用局域光偏振自由度的平面偏振器件提供了新的平台。

各向同性体介质中的模式是偏振双重简并态。这意味着在这种介质中，正交偏振的横电（TE）和横磁（TM）模式的色散特性完全相同，即它们的群速度和波数在任何频率和方向上完全一致，从而形成模式偏振的TE-TM简并。因此，简并模式的波数满足条件

一般来说，通过控制TE和TM模式的复振幅叠加，可以实现各向同性介质中传播波的任意（线性、圆或椭圆）偏振。

TE-TM简并使得电磁波在通过光波导系统传播时能够保持其偏振状态。然而，在各向异性介质中，这种简并会被打破，这也是经典偏振转换器的工作原理。这类器件通常使用各向异性（多为单轴）晶体板。

以四分之一波片和半波片为例，分别引入

φ=π/2 和 φ=π 的相位延迟。

对于线性对角偏振的入射波，四分之一波长贴片的输出是圆极化波，而半波长贴片的输出则是旋转90°的线性对角偏振波。

为了实现可调谐的光学器件，需要在系统输出端操纵电磁波的偏振状态，即在简并和非简并偏振态之间切换。对于介质中的平面波，这种切换机制可以通过外部作用改变其性质（从各向同性到各向异性）来实现。

光学系统中常用的各向异性介质包括单轴和双轴晶体、波导、多层结构、超材料和超表面。

*工作原理

介电超表面的电磁响应基于其构成粒子的谐振行为，这些行为可通过选择和调控每个谐振器的相应模式来实现。其原理类似于磁圆偶极子的单向激发和惠更斯超表面，但也可利用更高阶的模式。

具体而言，设计超表面工作原理基于盘形谐振器中两种相互正交的Mie型磁偶极子模式的光谱重叠。

这些模式分别是盘的HE（水平磁偶极子）和TE（垂直磁偶极子）模式。

HE模式的谐振频率取决于谐振器的高度h，而TE模式的谐振频率则取决于盘的直径d。

盘的这些模式可以通过y和z方向的磁偶极子有效激发，从而分别在整个系统中沿x轴传播的TM和TE引导模式。

需要注意的是，这种由垂直于超表面平面的磁偶极子近场光谱重叠引起的TE-TM简并具有独特性，此前尚未被研究过。

通过改变盘的直径与高度比，可以使谐振器的模式频率接近，从而实现广义的Kerker条件，并由此实现偏振简并。然而，单个谐振器的Kerker条件不足以实现介电超表面中TE和TM引导模式的重叠。原因是强烈的空间色散，即构成阵列的谐振器之间的相互作用，这种相互作用依赖于参数a。

因此，为了在给定的超表面中实现引导波的宽带TE-TM简并，必须解决相应的近场参数问题。

参考文献

[1] R. Li, S. Polevoy, V. R. Tuz, and O. Yermakov, “Merging high localization and TE-TM polarization degeneracy of guided waves in dielectric metasurfaces,” Phys. Rev. Appl., vol. 23, no. 1, p. 014084, Jan. 2025, doi: 10.1103/PhysRevApplied.23.014084.

来源：微波工程仿真

连续体中的束缚态（BIC）--堆叠介电超表面的连续体

开放系统本质上意味着通过能量交换与周围空间进行交互。既存在于经典系统，也存在于量子系统中，涉及声波或光波等。BIC不辐射的原因已有大量报道，它是一种特殊的物理现象，指在某些系统中存在局域化的束缚态，其能量虽然嵌入在连续谱（如辐射连续体或散射态）中，却能够完全避免与连续态的耦合，从而表现出无限长的寿命（理论上无耗散）。目录非厄米系统中的BIC 堆叠介电超表面参考资料 *BICAs shown below👇*非厄米系统中的BIC非 Hermiti性的一个显著特性是特征能量谱中出现了“异常点”（EP）。 EP 是至少两个特征向量及其相关特征值合并的谱奇异性. 在 EP 附近，特征值对扰动的敏感度大大增强，因此具有很好的传感应用前景，仅受噪声限制。几个特征向量的合并导致高阶 EP 的形成，对扰动表现出更高的敏感性。在光学领域，EP 主要研究宇称-时间 𝒫⁢𝒯-对称系统（Symmetric Systems）。然而，它们也可以出现在更实用的无源结构中，例如等离激元超表面、微谐振器和波导，甚至是单个纳米颗粒。辐射抵消可能是由于对称性或调整系统参数以抑制来自所有开放通道的辐射而产生的。因此，BIC 分别分为对称保护（S-BIC）或意外。在光子学中，S-BICs 主要在周期性超表面中进行研究。对称性打破将 S-BIC 转换为具有有限辐射的准 BIC 𝑄因素，导致入射辐射的巨大放大。鉴于这两种奇点的不寻常特性，一个有趣的想法产生了，两个或多个 BIC 是否可以合并成一个 EP，从而产生一个新的奇点？也就是说，在非厄米系统中，将多个BIC通过近场耦合形成了EP点，称为Exceptional BIC。即，提出一种新的奇点。这种奇点继承了上面两种奇点的性质：不辐射，同时对微扰敏感。 *堆叠介电超表面两个相同的谐振器，每个谐振器都支持一个假设的 S-BIC。用最简单的模型有效哈密顿量，代表两个耦合的辐射谐振器，当系统没有固有损耗（Intrinsic loss或者欧姆损耗）的时候，两个BIC在耦合为零（κ = 0）的时候能量简并是一个Diabolic point。那么当系统引入欧姆损耗的时候，如下图所示，形成Exceptional BIC：耦合系统本征频率的实部和虚部都简并，本征态，也就是模式平行。参考文献 [1] Q. Song, M. Odeh, J. Zúñiga-Pérez, B. Kanté, and P. Genevet, Plasmonic topological metasurface by encircling an exceptional point, Science 373, 1133 (2021).[2] A. Canós Valero, Z. Sztranyovszky, E. A. Muljarov, A. Bogdanov, and T. Weiss, “Exceptional Bound States in the Continuum,” Phys. Rev. Lett., vol. 134, no. 10, p. 103802, Mar. 2025, doi: 10.1103/PhysRevLett.134.103802. 来源：微波工程仿真