Фазовые метаповерхности представляют собой двумерные массивы подволновых резонаторов или рассеивателей, которые обеспечивают пространственное управление фазой и амплитудой падающего излучения. В отличие от объемных метаматериалов, они действуют на волны в пределах тонкого слоя — толщиной порядка десятков или сотен нанометров. Такой подход открывает возможность формирования заданных волновых фронтов без необходимости использовать громоздкие линзы и оптические элементы.
Ключевая идея заключается в создании резонансных элементов с различным фазовым откликом. Управляя геометрией, формой и ориентацией этих элементов, можно реализовывать фазовый сдвиг в диапазоне от 0 до 2π. Это позволяет синтезировать практически любую пространственную картину распространения электромагнитных или акустических волн.
Для изменения формы волнового фронта необходимо задать локальную фазовую карту на метаповерхности. Основное уравнение, связывающее распределение фазы и направление распространения волны, вытекает из обобщенного закона преломления:
$$ k_0 \sin \theta_t - k_0 \sin \theta_i = \frac{d\Phi(x)}{dx}, $$
где θt — угол преломленной волны, θi — угол падения, Φ(x) — фазовый профиль, заданный метаповерхностью. Таким образом, пространственный градиент фазы непосредственно определяет угол выхода волны.
Основные типы управления волновыми фронтами:
Диэлектрические нанорезонаторы Использование высокоиндексных диэлектриков (Si, TiO₂, GaN) позволяет достичь низких потерь и высокой эффективности управления фазой. Эффект основан на возбуждении электрических и магнитных мод Ми, что обеспечивает полный контроль над фазовым спектром.
Металлические наноантенны Применение плазмонных структур на основе золота или серебра эффективно в видимом и ближнем ИК-диапазоне. Однако высокие потери ограничивают КПД, что актуально при проектировании компактных оптических элементов.
Гибридные метаповерхности Комбинированные системы, сочетающие диэлектрические и металлические элементы, обеспечивают баланс между малыми потерями и широкими возможностями управления.
Динамически управляемые метаповерхности Использование фазовых переходов (VO₂, GST), графена или жидких кристаллов позволяет создавать адаптивные фазовые профили, меняющиеся под действием внешних стимулов — электрических, оптических или тепловых.
Плоский волновой фронт является базовым случаем, реализуемым путем компенсации сферической кривизны падающей волны. Для этого фаза метаповерхности должна увеличиваться квадратично с расстоянием от центра.
Для создания искривленных фронтов, например, вихревых пучков (оптических вихрей с орбитальным моментом), фазовый профиль задается в виде винтовой зависимости:
Φ(x, y) = lφ,
где l — топологический заряд, φ — азимутальный угол. Такой подход позволяет формировать оптические и акустические вихри, применяемые в системах связи, квантовой оптике и микро-манипуляциях.
Аналогичные принципы применимы и для акустики. Метаповерхности, основанные на резонаторах Гельмгольца или шнуровых каналах, позволяют управлять фазой звуковых волн. Здесь основная задача заключается в создании субволновых структур, обеспечивающих требуемый фазовый сдвиг.
Примеры применения:
Несмотря на широкие перспективы, фазовые метаповерхности сталкиваются с рядом ограничений:
Для преодоления этих барьеров активно развиваются методы топологически оптимизированного дизайна, многоуровневых структур и мультичастотных систем.