Metasytor är tvådimensionella (2-D) metamaterial som kan kontrollera spridningsvågor för en ljusstråle. Deras applikationer inkluderar tunnplåtspolarisatorer, stråldelare, strålstyrare och linser. Dessa strukturer kan kontrollera och transformera infallande vågor baserat på den generaliserade reflektions- och refraktionslagen (GSL; generaliserad Snells lag och generaliserad reflektionslag), som säger att små fasskiftande element kan styra riktningarna för de reflekterade och sända vågorna.

I en nyligen genomförd studie, Ana Díaz-Rubio och medarbetare i Finland och USA undersökte reflekterande metasytor som kallas metamirrors. Arbetet var baserat på kraftflödesfördelning och anpassning av reflektorns form för att konstruera de önskade fördelningarna av infallande och reflekterade fält, vilket resulterar i mycket effektiva metamirrors. Arbetet undersökte onormal reflektion och stråldelning för både akustiska och elektromagnetiska vågor, och resultaten är nu publicerade i Vetenskapens framsteg .

Det var först nyligen som forskare förstod fysiken för vågtransformation genom metasytor. För att förstå svårigheterna med att kontrollera reflektioner från metasytor, forskare övervägde kraftflödet i närheten av onormala reflektorer. Till exempel, i teorin, det kommer att finnas regioner där kraften som bärs av incidenten och reflekterade vågor av intresse "träder in" i metaytan och regioner där kraft "kommer ut" från ytan. Fenomenen indikerade att metasytor krävde periodiskt fördelad vinst/förlustrespons eller starkt icke-lokalt beteende. För att uppnå detta i praktiken, forskare kan noggrant konstruera ytresistansprofilen för material för högeffektiva reflektioner i godtyckliga riktningar.

Vidare, två reflekterade vågor kan styras samtidigt för att helt konstruera vågreflektioner. Tidigare arbeten hade visat att utformningen av fasgradientmetasytor baserad på generaliserad reflektionslag - hade högre effektivitet om avböjningsvinkeln inte översteg 40 till 45 grader. För att designa högeffektiva enheter som hologram eller linser, flera reflekterade vågor måste kontrolleras utan parasitiska reflektioner. Som en kraftledande mekanism, forskare har tidigare noggrant konstruerat flyktiga fält bakom metasytor för att realisera icke-lokala interaktioner mellan metaatomer.

I den nya studien, Díaz-Rubio et al. studerat möjligheten att skapa metamirrors som kan reflektera vågor i godtyckliga riktningar, utan parasitisk spridning och utan behov av evanescenta fält nära metaytan. Forskarna introducerade en multifysisk designmetod för att skapa akustiska eller elektromagnetiska metaspeglar för att forma de reflekterade vågorna. De beskrev en systematisk metod för att designa teoretiskt perfekta metamirrors baserat på ett tillvägagångssätt som innehåller fyra steg, Inklusive:

• Definitionen av fälten för den önskade funktionen.
• Analys av kraftflödesfördelningen och definition av den konforma ytan.
• Ytimpedansberäkningar
• Implementering med passiva element.

Forskarna utförde numeriska simuleringar i studien med hjälp av finita elementanalys av COMSOL Multiphysics programvara. De föreslagna designerna simulerades och beräknades med hjälp av gränsförhållanden för hårda väggar. Forskarna simulerade belysning som en perfekt plan våg, implementeras med användning av bakgrundstryckfältdomänförhållanden.

Designmetoden introducerad av Díaz-Rubio et al. krävde inga numeriska optimeringar för fysisk insikt i de komplexa reflektions- och diffraktionsfenomenen. Studieresultaten gav därför en klar fördel för användning i praktisk enhetsdesign och utveckling. Som ett proof-of-concept, forskarna genomförde en experimentell validering i studien, för vilka de valde akustiska metamirrors som kan reflektera normalt infallande akustiska vågor i 70 graders riktning. Díaz-Rubio et al. konstruerade metamerspeglarna med 3-D-tryckta rör med slutna ändar, där ytgeometrin följde den konforma konturen vinkelrätt mot kraftflödesriktningen som numeriskt simulerad.

I experimentet, forskarna genomförde mätningar för att få fram de spridda fälten. Resultaten visade att mer energi färdades i önskad riktning, medan en kvarvarande mängd energi sprids åt andra håll. De observerade ofullkomligheterna var en följd av strålens ändliga bredd; därför, prestandan hos metamerspeglarna var bättre med bredare strålar. Från denna analys, forskarna visade att energin som spreds i oönskade riktningar kunde minskas markant när de ökade strålens bredd i experimentuppställningen. På det här sättet, Díaz-Rubio et al. visade högre effektivitet hos den konforma metaspegeln jämfört med motsvarande konventionella design.

För experimentella fältkarteringsmätningar med akustiska vågor, forskarna använde en högtalararray med 28 högtalare för att skicka en Gauss-modulerad stråle till metaytan och skanna fältet med en rörlig mikrofon i ett steg på 2 cm. De fick det akustiska fältet på varje plats, som de sedan beräknade med Fouriertransformmetoden. De akustiska fälten uppmätta vid 3000 Hz stämde utmärkt överens med simuleringarna. När forskarna mätte effektiviteten hos metamerspeglarna baserat på den spridda energin, de fick ett värde på 96,9 procent, validera deras tillvägagångssätt.

Den experimentella valideringen som rapporterades i denna studie av Díaz-Rubio et al. är den första implementeringen av en onormal reflekterande akustisk metaspegel som skulle kunna övervinna effektivitetsgränserna för de tidigare GSL-baserade designerna. Forskare hade tidigare använt konforma metasytor för att konstruera cloaking-enheter, optiska och akustiska illusioner och linser, där metasytorna anpassas till formen av spridande eller reflekterande kroppar. Jämförelsevis, i konceptet som föreslagits av Díaz-Rubio et al. konforma metasytor anpassade till fältens önskade kraftfördelning istället. Som ett resultat, konceptet kan användas för att realisera komplexa fälttransformationer med hög effektivitet, vilket experimentellt demonstrerats i studien och återstår att utreda i praktiken i framtiden.

© 2019 Science X Network