Meta-oppervlakken zijn tweedimensionale (2-D) metamaterialen die verstrooiende golven van een lichtstraal kunnen beheersen. Hun toepassingen omvatten polarisatoren met dunne platen, bundelsplitsers, straalbuizen en lenzen. Deze structuren kunnen invallende golven beheersen en transformeren op basis van de gegeneraliseerde reflectie- en brekingswet (GSL; gegeneraliseerde wet van Snell en gegeneraliseerde reflectiewet), waarin staat dat kleine faseverschuivende elementen de richtingen van de gereflecteerde en uitgezonden golven kunnen regelen.

In een recente studie, Ana Díaz-Rubio en collega's in Finland en de VS onderzochten reflecterende meta-oppervlakken die bekend staan ​​als metamirrors. Het werk was gebaseerd op de verdeling van de krachtstroom en de aanpassing van de vorm van de reflector om de gewenste verdelingen van invallende en gereflecteerde velden te ontwerpen, resulterend in zeer efficiënte metamirrors. Het werk onderzocht abnormale reflectie en bundelsplitsing voor zowel akoestische als elektromagnetische golven, en de resultaten zijn nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Het was pas onlangs dat wetenschappers de fysica van golftransformatie door meta-oppervlakken begrepen. Om de moeilijkheden te begrijpen van het beheersen van reflecties van meta-oppervlakken, wetenschappers beschouwden krachtstroom in de buurt van afwijkende reflectoren. Bijvoorbeeld, in theorie, er zullen gebieden zijn waar de kracht die wordt gedragen door de invallende en gereflecteerde golven van belang het meta-oppervlak "binnenkomen" en gebieden waar de kracht "opkomt" uit het oppervlak. De verschijnselen gaven aan dat meta-oppervlakken een periodiek verdeelde winst/verliesrespons of sterk niet-lokaal gedrag vereisten. Om dit in de praktijk te realiseren, wetenschappers kunnen het oppervlakteweerstandsprofiel van materialen zorgvuldig ontwerpen voor zeer efficiënte reflecties in willekeurige richtingen.

Verder, twee gereflecteerde golven kunnen tegelijkertijd worden bestuurd om golfreflecties volledig te ontwikkelen. Eerder werk had aangetoond dat het ontwerp van meta-oppervlakken met fasegradiënt op basis van gegeneraliseerde reflectiewetten een hogere efficiëntie had als de afbuighoek niet groter was dan 40 tot 45 graden. Om zeer efficiënte apparaten zoals hologrammen of lenzen te ontwerpen, meerdere gereflecteerde golven moeten worden gecontroleerd zonder parasitaire reflecties. Als een krachtgeleidend mechanisme, wetenschappers hebben eerder zorgvuldig verdwijnende velden achter meta-oppervlakken ontworpen om niet-lokale interacties tussen meta-atomen te realiseren.

In de nieuwe studie Diaz Rubio et al. bestudeerde de mogelijkheid om metamirrors te creëren die golven in willekeurige richtingen kunnen reflecteren, zonder parasitaire verstrooiing en zonder de noodzaak van verdwijnende velden dicht bij het meta-oppervlak. De wetenschappers introduceerden een Multiphysics-ontwerpmethode om akoestische of elektromagnetische metamirrors te creëren om de gereflecteerde golven vorm te geven. Ze beschreven een systematische methode om theoretisch perfecte metamirrors te ontwerpen op basis van een benadering met vier stappen, inclusief:

• De definitie van de velden voor de gewenste functie.
• Analyse van de stroomverdeling en definitie van het conforme oppervlak.
• Oppervlakte-impedantieberekeningen
• Uitvoering met passieve elementen.

De wetenschappers voerden numerieke simulaties uit in het onderzoek met behulp van de eindige elementenanalyse van COMSOL Multiphysics-software. De voorgestelde ontwerpen zijn gesimuleerd en berekend met behulp van harde muurrandvoorwaarden. De wetenschappers simuleerden verlichting als een perfecte vlakke golf, geïmplementeerd met behulp van achtergronddrukvelddomeincondities.

De ontwerpbenadering geïntroduceerd door Díaz-Rubio et al. vereist geen numerieke optimalisaties voor fysiek inzicht in de complexe reflectie- en diffractiefenomenen. De onderzoeksresultaten leverden daarom een ​​duidelijk voordeel op voor gebruik in praktisch apparaatontwerp en -ontwikkeling. Als proof-of-concept, de wetenschappers voerden een experimentele validatie uit in de studie, waarvoor ze akoestische metamirrors kozen die normaal invallende akoestische golven in de richting van 70 graden kunnen reflecteren. Diaz Rubio et al. de metamirrors ontworpen met behulp van 3D-geprinte buizen met gesloten uiteinde, waarbij de oppervlaktegeometrie de conforme contour volgde loodrecht op de stroomrichting zoals numeriek gesimuleerd.

In het experiment, de wetenschappers voerden metingen uit om de verspreide velden te verkrijgen. De resultaten toonden aan dat meer energie in de gewenste richting reisde, terwijl een resterende hoeveelheid energie in andere richtingen wordt verspreid. De waargenomen onvolkomenheden waren een gevolg van de eindige breedte van de bundel; daarom, de prestaties van de metamirrors waren beter met bredere bundels. Uit deze analyse is de wetenschappers toonden aan dat de energie die in ongewenste richtingen wordt verspreid, aanzienlijk kan worden verminderd wanneer ze de breedte van de straal in de experimentele opstelling vergrootten. Op deze manier, Diaz Rubio et al. toonde een hogere efficiëntie van de conforme metamirror in vergelijking met het overeenkomstige conventionele ontwerp.

Voor experimentele veldmapping metingen met akoestische golven, de wetenschappers gebruikten een luidsprekerarray met 28 luidsprekers om een ​​Gauss-gemoduleerde straal naar het meta-oppervlak te sturen en het veld te scannen met een bewegende microfoon in een stap van 2 cm. Ze verkregen het akoestische veld op elke plek, die ze vervolgens berekenden met behulp van de Fourier-transformatiemethode. De akoestische velden gemeten bij 3000 Hz kwamen uitstekend overeen met de simulaties. Toen de wetenschappers de efficiëntie van de metamirrors maten op basis van de verstrooide energie, ze behaalden een waarde van 96,9 procent, hun aanpak te valideren.

De experimentele validatie gerapporteerd in deze studie door Díaz-Rubio et al. is de eerste implementatie van een afwijkende reflecterende akoestische metamiror die de efficiëntiegrenzen van de eerdere op GSL gebaseerde ontwerpen zou kunnen overwinnen. Wetenschappers hadden eerder conforme meta-oppervlakken gebruikt om verhulapparaten te ontwerpen, optische en akoestische illusies en lenzen, waar de meta-oppervlakken zich aanpasten aan de vorm van verstrooiende of reflecterende lichamen. Ter vergelijking, in het concept voorgesteld door Díaz-Rubio et al. in plaats daarvan conforme meta-oppervlakken aangepast aan de gewenste stroomverdeling van de velden. Als resultaat, het concept kan worden gebruikt om complexe veldtransformaties met hoge efficiëntie te realiseren, zoals experimenteel aangetoond in de studie en moet in de toekomst nog in de praktijk worden onderzocht.

© 2019 Wetenschap X Netwerk