Métamiroir réfléchissant anormal. L'étude est réalisée pour ϕr =0, i =0°, et r =70°. (A) Représentation schématique du problème. (B) Distribution du vecteur d'intensité dictée par les équations dérivées de l'étude. (C) La fonction de niveau de courbe normalisée gn(x, y) =g(x, y)/I0. Les lignes blanches représentent les courbes de niveau, c'est à dire., les courbes parallèles au vecteur intensité en chaque point. (D) Impédance de surface. La courbe de niveau correspondante associée à cette impédance est repérée par la ligne pointillée en (C). Simulation numérique de la réponse d'une métasurface conforme en puissance :(E) Métasurface modélisée comme une frontière réactive inhomogène. La ligne verte montre la surface limite. (F) Mise en œuvre réelle à l'aide de tubes à extrémités rigides. Les lignes rouges indiquent les surfaces modélisées en tant que limites rigides. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aau7288
Les métasurfaces sont des métamatériaux bidimensionnels (2D) qui peuvent contrôler les ondes de diffusion d'un faisceau lumineux. Leurs applications incluent les polariseurs à feuille mince, diviseurs de faisceau, faisceaux et lentilles. Ces structures peuvent contrôler et transformer les ondes incidentes sur la base de la loi de réflexion et de réfraction généralisée (GSL; loi de Snell généralisée et loi de réflexion généralisée), qui stipule que de petits éléments déphaseurs peuvent contrôler les directions des ondes réfléchies et transmises.
Dans une étude récente, Ana Díaz-Rubio et ses collègues en Finlande et aux États-Unis ont étudié des métasurfaces réfléchissantes connues sous le nom de métamiroirs. Le travail était basé sur la distribution du flux de puissance et l'adaptation de la forme du réflecteur pour concevoir les distributions souhaitées des champs incidents et réfléchis, résultant en des métamiroirs très efficaces. Le travail a étudié la réflexion anormale et la division du faisceau pour les ondes acoustiques et électromagnétiques, et les résultats sont maintenant publiés dans Avancées scientifiques .
Ce n'est que récemment que les scientifiques ont compris la physique de la transformation des ondes par les métasurfaces. Pour comprendre les difficultés de contrôler les réflexions des métasurfaces, les scientifiques ont considéré le flux de puissance à proximité de réflecteurs anormaux. Par exemple, en théorie, il y aura des régions où la puissance transportée par les ondes incidentes et réfléchies d'intérêt « entre » la métasurface et des régions où la puissance « émerge » de la surface. Les phénomènes ont indiqué que les métasurfaces nécessitaient une réponse de gain/perte périodiquement distribuée ou un comportement fortement non local. Pour y parvenir en pratique, les scientifiques peuvent soigneusement concevoir le profil de résistance de surface des matériaux pour des réflexions à haute efficacité dans des directions arbitraires.
Par ailleurs, deux ondes réfléchies peuvent être contrôlées simultanément pour concevoir entièrement les réflexions d'ondes. Des travaux antérieurs avaient montré que la conception de métasurfaces à gradient de phase basée sur la loi de réflexion généralisée avait des efficacités plus élevées si l'angle de déviation ne dépassait pas 40 à 45 degrés. Concevoir des dispositifs très performants tels que des hologrammes ou des lentilles, les ondes réfléchies multiples doivent être contrôlées sans réflexions parasites. En tant que mécanisme de guidage du pouvoir, les scientifiques ont auparavant soigneusement conçu des champs évanescents derrière les métasurfaces pour réaliser des interactions non locales entre les méta-atomes.
Séparateur de faisceau asymétrique (70 et 30%). L'analyse est effectuée pour ϕ1 =ϕ2 =0, i =0°, et r =±70°. (A) Représentation schématique du problème. (B) Distribution de l'intensité. C) La fonction de niveau de courbe normalisée gn(x, y) =g(x, y)/I0. Les lignes blanches représentent les courbes de niveau, c'est à dire., les courbes parallèles au vecteur intensité. (D) Impédance de surface. La courbe de niveau correspondante associée à cette impédance est repérée par la ligne pointillée en (C). Résultats numériques pour la métasurface conforme à la puissance :(E) Métasurface modélisée comme une limite d'impédance. La ligne verte indique la position de la limite. (F) Mise en œuvre réelle à l'aide de tubes à extrémités rigides. Les lignes rouges montrent les parois des tubes modélisées comme des limites rigides. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aau7288
Dans la nouvelle étude, Diaz-Rubio et al. étudié la possibilité de créer des métamiroirs capables de réfléchir des ondes dans des directions arbitraires, sans diffusion parasite et sans besoin de champs évanescents proches de la métasurface. Les scientifiques ont introduit une méthode de conception multiphysique pour créer des métamiroirs acoustiques ou électromagnétiques pour façonner les ondes réfléchies. Ils ont décrit une méthode systématique pour concevoir des métamiroirs théoriquement parfaits basée sur une approche comportant quatre étapes, comprenant:
Les scientifiques ont effectué des simulations numériques dans l'étude en utilisant l'analyse par éléments finis du logiciel COMSOL Multiphysics. Les conceptions proposées ont été simulées et calculées en utilisant des conditions aux limites de paroi dure. Les scientifiques ont simulé l'illumination comme une onde plane parfaite, mis en œuvre en utilisant des conditions de domaine de champ de pression de fond.
Vérification expérimentale. (A) Représentation schématique de la configuration expérimentale et une photographie de l'échantillon fabriqué. (B) Comparaison entre la diffusion normalisée des métamiroirs réfléchissants anormaux pour différentes largeurs de faisceau, w0 :simulation (sim.) du métamiroir conforme (w0 =40 et 60 cm), vérification expérimentale du métamiroir conforme (w0 =40 cm), et conception GSL simulée (w0 =40 cm). La diffusion normalisée est calculée avec une transformée de Fourier des champs de pression le long d'une ligne sur les métasurfaces. (C et D) Analyse de la partie réelle (C) et du carré de grandeur (D) du champ de pression expérimental et comparaison avec des simulations numériques. a.u., unités arbitraires. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aau7288
L'approche de conception introduite par Díaz-Rubio et al. n'a nécessité aucune optimisation numérique pour un aperçu physique des phénomènes complexes de réflexion et de diffraction. Les résultats de l'étude ont donc fourni un net avantage pour une utilisation dans la conception et le développement pratiques de dispositifs. Comme preuve de concept, les scientifiques ont mené une validation expérimentale dans l'étude, pour lesquels ils ont choisi des métamiroirs acoustiques capables de réfléchir les ondes acoustiques normalement incidentes dans la direction de 70 degrés. Diaz-Rubio et al. conçu les métamiroirs à l'aide de tubes fermés imprimés en 3D, où la géométrie de la surface suivait le contour conforme perpendiculaire à la direction du flux de puissance tel que simulé numériquement.
Dans l'expérience, les scientifiques ont effectué des mesures pour obtenir les champs dispersés. Les résultats ont montré que plus d'énergie voyageait dans la direction souhaitée, tandis qu'une quantité résiduelle d'énergie s'est dispersée dans d'autres directions. Les imperfections observées étaient une conséquence de la largeur finie de la poutre; donc, les performances des métamiroirs étaient meilleures avec des faisceaux plus larges. De cette analyse, les scientifiques ont montré que l'énergie diffusée dans des directions indésirables pouvait être considérablement réduite lorsqu'ils augmentaient la largeur du faisceau dans le dispositif expérimental. De cette façon, Diaz-Rubio et al. a montré une efficacité plus élevée du métamiroir conforme par rapport à la conception conventionnelle correspondante.
Pour les mesures expérimentales de cartographie de terrain avec des ondes acoustiques, les scientifiques ont utilisé un réseau de haut-parleurs avec 28 haut-parleurs pour envoyer un faisceau modulé gaussien à la métasurface et balayer le champ à l'aide d'un microphone mobile à un pas de 2 cm. Ils ont obtenu le champ acoustique à chaque spot, qu'ils ont ensuite calculé par la méthode de la transformée de Fourier. Les champs acoustiques mesurés à 3000 Hz étaient en excellent accord avec les simulations. Lorsque les scientifiques ont mesuré l'efficacité des métamiroirs sur la base de l'énergie diffusée, ils ont obtenu une valeur à 96,9 pour cent, valider leur approche.
La validation expérimentale rapportée dans cette étude par Díaz-Rubio et al. est la première mise en œuvre d'un métamiroir acoustique réfléchissant anormal qui pourrait surmonter les limites d'efficacité des conceptions précédentes basées sur le GSL. Les scientifiques avaient déjà utilisé des métasurfaces conformes pour concevoir des dispositifs de dissimulation, illusions et lentilles optiques et acoustiques, où les métasurfaces s'adaptaient à la forme des corps diffusants ou réfléchissants. Relativement, dans le concept proposé par Díaz-Rubio et al. métasurfaces conformes adaptées à la distribution de puissance souhaitée des champs à la place. Par conséquent, le concept peut être utilisé pour réaliser des transformations de champ complexes avec une grande efficacité, comme démontré expérimentalement dans l'étude et reste à étudier dans la pratique à l'avenir.
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