Tekniske bølgerefleksioner med power flow-konforme metaspejle

Metasurfaces er todimensionelle (2-D) metamaterialer, der kan kontrollere spredningsbølger fra en lysstråle. Deres applikationer omfatter tynde ark polarisatorer, stråledelere, strålestyrere og linser. Disse strukturer kan kontrollere og transformere indfaldende bølger baseret på den generaliserede refleksions- og brydningslov (GSL; generaliseret Snells lov og generaliseret refleksionslov), som siger, at små faseskiftende elementer kan styre retningerne af de reflekterede og transmitterede bølger.

I en nylig undersøgelse, Ana Díaz-Rubio og kolleger i Finland og USA undersøgte reflekterende metaoverflader kendt som metamirrors. Arbejdet var baseret på strømfordeling og tilpasning af reflektorformen for at konstruere de ønskede fordelinger af indfaldende og reflekterede felter, resulterer i højeffektive metamirrors. Arbejdet undersøgte unormal refleksion og stråleopdeling for både akustiske og elektromagnetiske bølger, og resultaterne er nu offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

Det var først for nylig, at videnskabsmænd forstod fysikken i bølgetransformation ved hjælp af metaoverflader. For at forstå vanskelighederne med at kontrollere refleksioner fra metasflader, videnskabsmænd overvejede strømstrøm i nærheden af ​​unormale reflektorer. For eksempel, i teorien, der vil være områder, hvor kraften båret af hændelsen og reflekterede bølger af interesse "træder ind" i metaoverfladen og områder, hvor kraft "dukker op" fra overfladen. Fænomenerne indikerede, at metaoverflader krævede periodisk fordelt gevinst/tab-respons eller stærkt ikke-lokal adfærd. For at opnå dette i praksis, videnskabsmænd kan omhyggeligt konstruere overflademodstandsprofilen af ​​materialer til højeffektive refleksioner i vilkårlige retninger.

Desuden, to reflekterede bølger kan styres samtidigt for fuldt ud at konstruere bølgereflektioner. Tidligere arbejde havde vist, at designet af fasegradient-metasurfaces baseret på generaliseret refleksionslov - havde højere effektivitet, hvis afbøjningsvinklen ikke oversteg 40 til 45 grader. At designe meget effektive enheder såsom hologrammer eller linser, flere reflekterede bølger skal kontrolleres uden parasitære refleksioner. Som en magtledende mekanisme, videnskabsmænd har tidligere omhyggeligt konstrueret flygtige felter bag metasurfaces for at realisere ikke-lokale interaktioner mellem meta-atomer.

I den nye undersøgelse, Díaz-Rubio et al. undersøgte muligheden for at skabe metaspejle, der er i stand til at reflektere bølger i vilkårlige retninger, uden parasitisk spredning og uden behov for flygtige felter tæt på metasfladen. Forskerne introducerede en multifysisk designmetode til at skabe akustiske eller elektromagnetiske metaspejle til at forme de reflekterede bølger. De beskrev en systematisk metode til at designe teoretisk perfekte metamirrors baseret på en tilgang indeholdende fire trin, inklusive:

• Definitionen af ​​felterne for den ønskede funktion.
• Analyse af strømfordelingen og definition af den konforme overflade.
• Overfladeimpedansberegninger
• Implementering med passive elementer.

Forskerne udførte numeriske simuleringer i undersøgelsen ved hjælp af finite element-analyse af COMSOL Multiphysics-software. De foreslåede design blev simuleret og beregnet ved brug af grænsebetingelser for hårde vægge. Forskerne simulerede belysning som en perfekt plan bølge, implementeret ved hjælp af baggrundstrykfeltdomænebetingelser.

Designtilgangen introduceret af Díaz-Rubio et al. krævede ingen numeriske optimeringer for fysisk indsigt i de komplekse reflektions- og diffraktionsfænomener. Undersøgelsesresultaterne gav derfor en klar fordel til brug i praktisk enhedsdesign og -udvikling. Som et proof-of-concept, forskerne gennemførte en eksperimentel validering i undersøgelsen, hvor de valgte akustiske metaspejle, der er i stand til at reflektere normalt indfaldende akustiske bølger i 70 graders retning. Díaz-Rubio et al. konstruerede meta-spejlene ved hjælp af 3-D-printede lukkede rør, hvor overfladegeometrien fulgte den konforme kontur vinkelret på strømningsretningen som numerisk simuleret.

I forsøget forskerne foretog målinger for at opnå de spredte felter. Resultaterne viste, at mere energi rejste i den ønskede retning, mens en resterende mængde energi spredt i andre retninger. De observerede ufuldkommenheder var en følge af bjælkens endelige bredde; derfor, ydeevnen af ​​meta-spejlene var bedre med bredere bjælker. Ud fra denne analyse, forskerne viste, at energien spredt i uønskede retninger kunne reduceres markant, når de øgede strålens bredde i forsøgsopstillingen. På denne måde Díaz-Rubio et al. viste højere effektivitet af det konforme metaspejl sammenlignet med det tilsvarende konventionelle design.

Til eksperimentelle feltkortlægningsmålinger med akustiske bølger, forskerne brugte et højttalerarray med 28 højttalere til at sende en Gauss-moduleret stråle til metasoverfladen og scanne feltet ved hjælp af en bevægelig mikrofon i et trin på 2 cm. De opnåede det akustiske felt på hvert sted, som de så beregnede ved hjælp af Fourier-transformationsmetoden. De akustiske felter målt ved 3000 Hz stemte glimrende overens med simuleringerne. Da forskerne målte effektiviteten af ​​meta-spejlene baseret på den spredte energi, de opnåede en værdi på 96,9 procent, validere deres tilgang.

Den eksperimentelle validering rapporteret i denne undersøgelse af Díaz-Rubio et al. er den første implementering af et unormalt reflekterende akustisk metaspejl, der kunne overvinde effektivitetsgrænserne for de tidligere GSL-baserede designs. Forskere havde tidligere brugt konforme metasurfaces til at konstruere tilsløringsanordninger, optiske og akustiske illusioner og linser, hvor metasfladerne er tilpasset formen af ​​spredte eller reflekterende legemer. Forholdsvis, i konceptet foreslået af Díaz-Rubio et al. konforme metaflader tilpasset den ønskede effektfordeling af felterne i stedet. Som resultat, konceptet kan bruges til at realisere komplekse felttransformationer med høj effektivitet som eksperimentelt demonstreret i undersøgelsen og skal undersøges i praksis i fremtiden.

© 2019 Science X Network