用于相位突变界面的广义的反射定律和折射定律

孙彦彦; 韩璐; 史晓玉; 王兆娜; 刘大禾

doi:10.7498/aps.62.104201

摘要

考虑到位于两物质界面上的Metasurface对光线传播行为的影响, 从费马原理和边界条件连续两种角度出发, 推导了可用于相位突变界面的广义反射与折射定律. 该定律在界面对光波的相位改变量为零的情况下, 回归为通常的反射定律和折射定律. 利用广义的折射定律和反射定律讨论了介质折射率、界面上的相位梯度等因素对光传播行为的影响, 发现利用广义的折射定律和反射定律很容易实现反常反射和反常折射行为, 并给出了出现反常反射和反常折射的条件, 以此为基础可以实现对光波的随意控制. 依据广义的折射定律和反射定律分析了一维相位掩模板对光场传播行为的影响.

关键词:

Abstract

The general reflection and refraction laws at the metasurface with an abrupt phase shift are derived by two methods based on Fermat's principle and the boundary conditions of continuity, it is found that one or two critical angles for total internal reflection exist not only when a light beam impinges on the optical sparse material from the optical denser material, but also when a light beam spreads from the optical sparse material to the optical denser material. Anomalous reflection and refraction, such as, negative reflection and negative refraction may occur when a light beam passes through the metasurface, and the conditions of their occurrence are given. Finally, a kind of metasurface based on one-dimensional phase mask is designed to control the light propagation.

Keywords:

作者及机构信息

1.
北京师范大学, 物理系应用光学北京市重点实验室, 北京 100875;

2.
南昌航空大学, 无损检测技术教育部重点实验室, 南昌 330063

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11104016, 11074024, 61275130)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号: 20100003120009)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Applied Optics Beijing Area Major Laboratory, Department of Physics, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;

2.
Key Laboratory of Nondestructive Test (Ministry of Education), Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China

Funds: Project supported by National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11104016, 11074024, 61275130) and the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20100003120009).

参考文献

[1]	Zhou J 2005 J. Sichuan University (Natural Science Edition) 42 15 (in Chinese) [周济2005 四川大学学报(自然科学版) 42 15]
[2]	Smith D R, Pendry J B, Wiltshire M C K 2004 Science 305 788
[3]	Enkrich C, Wegener M, Linden S, Burger S, Zschiedrich L, Schmidt F, Zhou J F, Koschny Th, Soukoulis C M 2005 Phys. Rev. Lett. 95 203901
[4]	Boltasseva A, Atwater H A 2011 Science 331 290
[5]	Gong B Y, Zhou X, Zhao X P 2011 Acta Phys. Sin. 60 044101 (in Chinese) [龚伯仪, 周欣, 赵晓鹏 2011 物理学报 60 044101]
[6]	Tang S W, Zhu W R, Zhao X P 2009 Acta Phys. Sin. 58 3220 (in Chinese) [汤世伟, 朱卫仁, 赵晓鹏 2009 物理学报 58 3220]
[7]	Su Y Y, Gong B Y, Zhao X P 2012 Acta Phys. Sin. 61 084102 (in Chinese) [苏研研, 龚伯仪, 赵晓鹏 2012 物理学报 61 084102]
[8]	Zhao Y, Xiang J K, Li S , Zhao X P 2011 Acta Phys. Sin. 60 054211 (in Chinese) [赵延, 相建凯, 李飒, 赵晓鹏 2011 物理学报 60 054211]
[9]	Wang J F, Qu S B, Xu Z, Zhang J Q, Ma H, Yang Y M, Gu C 2009 Acta Phys. Sin. 58 3224 (in Chinese) [王甲富, 屈绍波, 徐卓, 张介秋, 马华, 杨一鸣, 顾超 2009物理学报 583224]
[10]	Lee J W, Seo M A, Sohn J Y, Ahn Y H, Kim D S 2005 Opt. Express 13 10681
[11]	Saenz E, Ederra I, Ikonen P, Tretyakov S, Gonzalo R 2007 J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 9 S308
[12]	Saenz E, Ederra I, Gonzalo R, Pivnenko S, Breinbjerg O, De Maagt P 2009 IEEE Trans. Antenn. Propagat. 57 383
[13]	Saenz E, Ederra I, De Maagt P, Gonzalo R 2007 Electron. Lett. 43 850
[14]	Saenz E, Gonzalo R, Ederra I, Vardaxoglou J C, De Maagt P 2008 IEEE Trans. Antenn. Propagat. 56 951
[15]	Wu X, Peng Z B, Qu S B, Xu Z, Bai P, Wang J F, Wang X H, Zhong H 2011 Acta Phys. Sin. 60 114201 (in Chinese) [吴翔, 裴志斌, 屈绍波, 徐卓, 柏鹏, 王甲富, 王新华, 周航 2011 物理学报 60 114201]
[16]	Sun L K, Cheng H F, Zhou Y J, Wang J, Pang Y Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 108901 (in Chinese) [孙良奎, 程海峰, 周永江, 王军, 庞永强 2011 物理学报 60 108901]
[17]	Mosallaei H, Sarabandi K 2005 IEEE Antenn. Propag. Society International Symposium 1B 615
[18]	Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Bai P, Peng W D, Lin B Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 087801 (in Chinese) [顾超, 屈绍波, 裴志斌, 徐卓, 柏鹏, 彭卫东, 林宝勤2011 物理学报 60 087801]
[19]	Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Lin B Q, Zhou H, Bai P, Gu W, Peng W D, Ma H 2011 Acta Phys. Sin. 60 087802 (in Chinese) [顾超, 屈绍波, 裴志斌, 徐卓, 林宝勤, 周航, 柏鹏, 顾巍, 彭卫东, 马华2011物理学报 60 087802]
[20]	Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Ma H, Lin B Q, Bai P, Peng W D 2011 Acta Phys. Sin. 60 107801 (in Chinese) [顾超, 屈绍波, 裴志斌, 徐卓, 马华, 林宝勤, 柏鹏, 彭卫东 2011 物理学报 60 107801]
[21]	Alici K B, Turhan A B, Soukoulis C M, Ozbay E 2011 Opt. Express 19 14260
[22]	Yu N F, Genevet P, Kats M A, Aieta F, Tetienne J P, Capasso F, Gaburro Z 2011 Science 334 333
[23]	Ni X J, Emani N K, Kildishev A V, Boltasseva A, Shalaev V M 2012 Science 335 427
[24]	Pendry J B, Schurig D, Smith D R 2006 Science 312 1780
[25]	Leonhardt U 2006 Science 312 1777

施引文献

[1]	Zhou J 2005 J. Sichuan University (Natural Science Edition) 42 15 (in Chinese) [周济2005 四川大学学报(自然科学版) 42 15]
[2]	Smith D R, Pendry J B, Wiltshire M C K 2004 Science 305 788
[3]	Enkrich C, Wegener M, Linden S, Burger S, Zschiedrich L, Schmidt F, Zhou J F, Koschny Th, Soukoulis C M 2005 Phys. Rev. Lett. 95 203901
[4]	Boltasseva A, Atwater H A 2011 Science 331 290
[5]	Gong B Y, Zhou X, Zhao X P 2011 Acta Phys. Sin. 60 044101 (in Chinese) [龚伯仪, 周欣, 赵晓鹏 2011 物理学报 60 044101]
[6]	Tang S W, Zhu W R, Zhao X P 2009 Acta Phys. Sin. 58 3220 (in Chinese) [汤世伟, 朱卫仁, 赵晓鹏 2009 物理学报 58 3220]
[7]	Su Y Y, Gong B Y, Zhao X P 2012 Acta Phys. Sin. 61 084102 (in Chinese) [苏研研, 龚伯仪, 赵晓鹏 2012 物理学报 61 084102]
[8]	Zhao Y, Xiang J K, Li S , Zhao X P 2011 Acta Phys. Sin. 60 054211 (in Chinese) [赵延, 相建凯, 李飒, 赵晓鹏 2011 物理学报 60 054211]
[9]	Wang J F, Qu S B, Xu Z, Zhang J Q, Ma H, Yang Y M, Gu C 2009 Acta Phys. Sin. 58 3224 (in Chinese) [王甲富, 屈绍波, 徐卓, 张介秋, 马华, 杨一鸣, 顾超 2009物理学报 583224]
[10]	Lee J W, Seo M A, Sohn J Y, Ahn Y H, Kim D S 2005 Opt. Express 13 10681
[11]	Saenz E, Ederra I, Ikonen P, Tretyakov S, Gonzalo R 2007 J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 9 S308
[12]	Saenz E, Ederra I, Gonzalo R, Pivnenko S, Breinbjerg O, De Maagt P 2009 IEEE Trans. Antenn. Propagat. 57 383
[13]	Saenz E, Ederra I, De Maagt P, Gonzalo R 2007 Electron. Lett. 43 850
[14]	Saenz E, Gonzalo R, Ederra I, Vardaxoglou J C, De Maagt P 2008 IEEE Trans. Antenn. Propagat. 56 951
[15]	Wu X, Peng Z B, Qu S B, Xu Z, Bai P, Wang J F, Wang X H, Zhong H 2011 Acta Phys. Sin. 60 114201 (in Chinese) [吴翔, 裴志斌, 屈绍波, 徐卓, 柏鹏, 王甲富, 王新华, 周航 2011 物理学报 60 114201]
[16]	Sun L K, Cheng H F, Zhou Y J, Wang J, Pang Y Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 108901 (in Chinese) [孙良奎, 程海峰, 周永江, 王军, 庞永强 2011 物理学报 60 108901]
[17]	Mosallaei H, Sarabandi K 2005 IEEE Antenn. Propag. Society International Symposium 1B 615
[18]	Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Bai P, Peng W D, Lin B Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 087801 (in Chinese) [顾超, 屈绍波, 裴志斌, 徐卓, 柏鹏, 彭卫东, 林宝勤2011 物理学报 60 087801]
[19]	Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Lin B Q, Zhou H, Bai P, Gu W, Peng W D, Ma H 2011 Acta Phys. Sin. 60 087802 (in Chinese) [顾超, 屈绍波, 裴志斌, 徐卓, 林宝勤, 周航, 柏鹏, 顾巍, 彭卫东, 马华2011物理学报 60 087802]
[20]	Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Ma H, Lin B Q, Bai P, Peng W D 2011 Acta Phys. Sin. 60 107801 (in Chinese) [顾超, 屈绍波, 裴志斌, 徐卓, 马华, 林宝勤, 柏鹏, 彭卫东 2011 物理学报 60 107801]
[21]	Alici K B, Turhan A B, Soukoulis C M, Ozbay E 2011 Opt. Express 19 14260
[22]	Yu N F, Genevet P, Kats M A, Aieta F, Tetienne J P, Capasso F, Gaburro Z 2011 Science 334 333
[23]	Ni X J, Emani N K, Kildishev A V, Boltasseva A, Shalaev V M 2012 Science 335 427
[24]	Pendry J B, Schurig D, Smith D R 2006 Science 312 1780
[25]	Leonhardt U 2006 Science 312 1777

[1]	金嘉升, 马成举, 张垚, 张跃斌, 鲍士仟, 李咪, 李东明, 刘洺, 刘芊震, 张贻歆. 基于相变材料的慢光和吸收可切换多功能太赫兹超材料. 物理学报, 2023, 72(8): 084202. doi: 10.7498/aps.72.20222336
[2]	葛宏义, 李丽, 蒋玉英, 李广明, 王飞, 吕明, 张元, 李智. 基于双开口金属环的太赫兹超材料吸波体传感器. 物理学报, 2022, 71(10): 108701. doi: 10.7498/aps.71.20212303
[3]	陈闻博, 陈鹤鸣. 基于超材料复合结构的太赫兹液晶移相器. 物理学报, 2022, 71(17): 178701. doi: 10.7498/aps.71.20212400
[4]	江孝伟, 武华. 吸收波长和吸收效率可控的超材料吸收器. 物理学报, 2021, 70(2): 027804. doi: 10.7498/aps.70.20201173
[5]	崔铁军, 吴浩天, 刘硕. 信息超材料研究进展. 物理学报, 2020, 69(15): 158101. doi: 10.7498/aps.69.20200246
[6]	于惠存, 曹祥玉, 高军, 杨欢欢, 韩江枫, 朱学文, 李桐. 一种宽带可重构反射型极化旋转表面. 物理学报, 2018, 67(22): 224101. doi: 10.7498/aps.67.20181041
[7]	金柯, 刘永强, 韩俊, 杨崇民, 王颖辉, 王慧娜. 基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究. 物理学报, 2017, 66(13): 134201. doi: 10.7498/aps.66.134201
[8]	汪肇坤, 杨振宇, 陶欢, 赵茗. 复合结构螺旋超材料对光波前的高效调控. 物理学报, 2016, 65(21): 217802. doi: 10.7498/aps.65.217802
[9]	韩江枫, 曹祥玉, 高军, 李思佳, 张晨. 一种基于超材料的宽带、反射型90极化旋转体设计. 物理学报, 2016, 65(4): 044201. doi: 10.7498/aps.65.044201
[10]	徐新河, 刘鹰, 甘月红, 刘文苗. 磁电耦合超材料本构矩阵获取方法的研究. 物理学报, 2015, 64(4): 044101. doi: 10.7498/aps.64.044101
[11]	刘亚红, 方石磊, 顾帅, 赵晓鹏. 多频与宽频超材料吸收器. 物理学报, 2013, 62(13): 134102. doi: 10.7498/aps.62.134102
[12]	刘涛, 曹祥玉, 高军, 郑秋容, 李文强. 基于超材料的吸波体设计及其波导缝隙天线应用. 物理学报, 2012, 61(18): 184101. doi: 10.7498/aps.61.184101
[13]	沈晓鹏, 崔铁军, 叶建祥. 基于超材料的微波双波段吸收器. 物理学报, 2012, 61(5): 058101. doi: 10.7498/aps.61.058101
[14]	苏妍妍, 龚伯仪, 赵晓鹏. 基于双负介质结构单元的零折射率超材料. 物理学报, 2012, 61(8): 084102. doi: 10.7498/aps.61.084102
[15]	赵延, 相建凯, 李飒, 赵晓鹏. 基于双鱼网结构的可见光波段超材料. 物理学报, 2011, 60(5): 054211. doi: 10.7498/aps.60.054211
[16]	钟顺林, 韩满贵, 邓龙江. 超材料微波磁导率色散行为的电可调控性研究. 物理学报, 2011, 60(11): 117501. doi: 10.7498/aps.60.117501
[17]	孙良奎, 程海峰, 周永江, 王军, 庞永强. 一种基于超材料的吸波材料的设计与制备. 物理学报, 2011, 60(10): 108901. doi: 10.7498/aps.60.108901
[18]	闻孺铭, 李凌云, 韩克武, 孙晓玮. 微波超材料隐形结构及其新型快速实验方案. 物理学报, 2010, 59(7): 4607-4611. doi: 10.7498/aps.59.4607
[19]	相建凯, 马忠洪, 赵延, 赵晓鹏. 可见光波段超材料的平面聚焦效应. 物理学报, 2010, 59(6): 4023-4029. doi: 10.7498/aps.59.4023
[20]	付非亚, 陈微, 周文君, 刘安金, 邢名欣, 王宇飞, 郑婉华. 纳米三明治结构光子超材料中电磁场振荡行为研究. 物理学报, 2010, 59(12): 8579-8583. doi: 10.7498/aps.59.8579

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