Electromagnetic metagratings for efficient wavefront manipulation
Métaréseaux électromagnétiques pour la manipulation efficace de fronts d'onde
Résumé
Compared to traditional metasurfaces, metagratings have demonstrated pronounced advantages in efficient wavefront manipulation in recent years. These advantages primarily stem from two key factors: first, metagratings effectively eliminate wave impedance mismatch between incoming and outgoing waves, thus facilitating near-optimal efficiency in wavefront manipulation. Second, the sparsely arranged and simplified structure of metagratings renders them significantly easier to fabricate compared to traditional metasurfaces, which often entail complex structural resolution requirements particularly at high frequencies. This doctoral research endeavors to establish a more intuitive and rigorous design methodology for metagrating-based wavefront manipulation while also exploring novel avenues in the domain. Conducted jointly by Université Paris Nanterre and Xi’an Jiaotong University, the study starts with a comprehensive analysis of the electromagnetic characteristics inherent to metagratings, aiming to elucidate the fundamental principles governing wavefront manipulation. This analysis encompasses the derivation of reflection and transmission coefficients in multilayered media, examination of radiation characteristics, and meticulous considerations for achieving optimal wavefront manipulation. Subsequent investigations deal with the design intricacies of reflective metagratings, addressing challenges and devising strategies for both single-beam and multi-beam radiations and for electromagnetic absorption, exploring the influence of diverse structural configurations on absorption bandwidth. Notably, the concept of zero load-impedance metagratings is introduced and potential applications are explored particularly in high-frequency band scenarios. Finally, the research extends its exploration to transmissive metagratings, aiming to demonstrate their capabilities in achieving diverse wavefront manipulations, encompassing anomalous reflection, anomalous refraction, beam splitting, uni- and bi-directional wave absorption, and asymmetrical wavefront manipulation.
Par rapport aux métasurfaces traditionnelles, les métaréseaux ont démontré des avantages prononcés dans la manipulation efficace du front d’onde au cours de ces dernières années. Ces avantages découlent principalement de deux facteurs clés : premièrement, les métaréseaux éliminent efficacement la désadaptation d’impédance d’onde entre les ondes entrantes et sortantes, permettant ainsi d’avoir une efficacité quasi-optimale dans la manipulation du front d’onde. Deuxièmement, la structure simplifiée et éparse des métaréseaux les rend beaucoup plus faciles à réaliser que les métasurfaces traditionnelles, qui impliquent souvent des exigences de résolution structurelle complexes, en particulier à des fréquences élevées. Cette thèse s’efforce d’établir une méthodologie de conception plus intuitive et plus rigoureuse pour la manipulation du front d’onde basée sur les métaréseaux, tout en explorant de nouvelles voies dans le domaine. Menée conjointement par l’Université Paris Nanterre et Xi’an Jiaotong University, l’étude commence par une analyse complète des caractéristiques électromagnétiques inhérentes aux métaréseaux, visant à clarifier les principes fondamentaux régissant la manipulation du front d’onde. Cette analyse englobe la dérivation des coefficients de réflexion et de transmission dans les milieux multicouches, l’analyse des caractéristiques du rayonnement et des considérations méticuleuses pour obtenir une manipulation optimale du front d’onde. Les travaux de recherche portent sur les subtilités de la conception des métaréseaux réfléchissants, en abordant les défis et en concevant des stratégies pour les rayonnements mono- et multi-faisceaux et pour l’absorption électromagnétique, en explorant l’influence de diverses configurations structurelles sur la bande passante d’absorption. Notamment, le concept de métaréseaux à impédance de charge nulle est introduit et des applications potentielles sont explorées, en particulier dans les scénarios à hautes fréquences. Enfin, les travaux de recherche étendent leur exploration aux métaréseaux transmissifs, dans le but de démontrer leurs capacités à réaliser diverses manipulations, englobant la réflexion anormale, la réfraction anormale, la division du faisceau, l’absorption d’ondes unidirectionnelle et bidirectionnelle et la manipulation asymétrique du front d’onde.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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