A Fishnet Metasurface as an Ultra-Thin Quarter Wave Plate

Abstract

В роботі запропоновано конструкцію надтонкої чвертьхвильової пластинки, що базується на використанні сітчастої метаповерхні. Метаповерхня влаштована у вигляді періодично розташованих складних суперкомірок, які містять малі в порівнянні з довжиною хвилі кругові отвори. Незважаючи на те, що отвори такої форми не чутливі до поляризації, показано, що можна управляти поляризаційним відгуком, маніпулюючи асиметрією метаповерхневої суперкомірки. Потрібна різниця фаз між компонентами в напрямках осей x та y переданого поля може бути отримана за допомогою вибору розташування отворів у суперкомірці, а також залежить від лінійних розмірів самої суперкомірки. В запропонованій конструкції амплітудою та фазою двох ортогональних компонентів переданого поля можна керувати незалежно, отже, забезпечуючи ефективне та надійне перетворення поляризації. У роботі пояснюється, що ефект перетворення лінійно поляризованої хвилі в циркулярно поляризовану обумовлено явищем підвищеного пропускання крізь малі отвори та збудженням ортогональних власних коливань метаповерхні. У випадку отворів з малими отворами періодична суперкомірка являє собою складний розсіювач, який формує відгук та керує вкладами окремих її елементів, що призводить до сильної поляризаційної чутливості, яку неможливо спостерігати у випадку круглих резонансних отворів. Аналітично показано, що ефект перетворення поляризації для надтонких метаповерхонь реалізується при збудженні двох ортогональних власних коливань з близько розташованими власними частотами. Отримано аналітичні формули для опису поляризаційних ефектів як функції власних частот та обговорено умови для досягнення максимального рівня ефективності перетворення в надтонких одношарових структурах.

In the paper, a design of an ultra-thin quarter wave plate using a fishnet metasurface is described. The metasurface is arranged as a periodic array of compound supercells with subwavelength circular holes. Even though the holes are polarization insensitive, it is shown that one can control polarization response manipulating with metasurface supercell asymmetry. A specific phase difference between the x and y components of the transmitted field can be obtained by manipulating with hole locations in the supercell as well as with periodic supercell dimensions. In the design, magnitude and phase of two orthogonal components for the transmitted field can be controlled independently, hence enabling efficient and robust polarization conversion. It is explained that the effect of conversion of a linearly polarized wave into a circularly polarized one is due to enhanced transmission phenomenon through subwavelength holes and coupling with orthogonal eigenmodes of the metasurface. In the case of subwavelength holes, a whole periodic supercell behaves as a scatterer, which combines impacts of the individual elements leading to the strong polarization sensitivity, which cannot be observed in the case of resonant ones. It is analytically shown that the effect of polarization conversion for ultra-thin metasurfaces appears when two orthogonal eigenmodes with closely spaced eigenfrequencies are coupled to the incident field. Analytical formulas to describe the polarization effects as a function of eigenfrequencies are obtained, and the conditions to get the maximum level of the conversion efficiency possible for ultra-thin single layer structures are discussed.