Positional disorder in Huygens’ metasurfaces
The primary goal of this thesis was the experimental exploration of certain linear optical properties of positionally disordered Huygens-metasurfaces, which consist of two-dimensional arrangements of specific scattering particles. This goal has been motivated by two recent trends: On the one hand, dielectric Huygens-metasurfaces have proved to be a suitable material platform for holographic and wavefront-shaping applications, and on the other hand, structurally disordered metamaterials have already exhibited features that cannot be attained with ordered structures. However, the influence of positional disorder on Huygens-metasurfaces has not yet been systematically studied, and it thus remained the question if and how Huygens-metasurfaces could benefit from positional disorder. This thesis characterizes the directional transmission and reflection of positionally disordered Huygens' metasurfaces both experimentally and numerically, provides a simple theoretical model that explains the observation of a disorder-induced phase transition on the basis of effective multipole moments, and confirms that positional disorder is indeed a valuable degree of freedom in the design of holographic and wavefront-shaping devices. Based on these findings, future research may investigate how the directional transmission and reflection of positionally disordered Huygens-metasurfaces can be tailored via their particle arrangements and/or higher multipole moments.
Das Hauptziel dieser Arbeit war die experimentelle Untersuchung bestimmter linearer optischer Eigenschaften positionell ungeordneter Huygens-Metaoberflächen – das sind zweidimensionale Anordnungen spezieller Streupartikel. Dieses Ziel wurde durch zwei aktuelle Forschungstrends motiviert: Einerseits haben sich dielektrische Huygens-Metaoberflächen als eine geeignete Materialplattform für holografische und wellenfrontformende Anwendungen erwiesen, und andererseits wurde bereits gezeigt, dass strukturell ungeordnete Metamaterialien Eigenschaften besitzen, die mit geordneten Strukturen nicht zu erreichen sind. Der Einfluss positioneller Unordnung auf Huygens-Metaoberflächen wurde jedoch noch nicht systematisch untersucht und es verblieb daher die Frage, ob und wie Huygens-Metaoberflächen von positioneller Unordnung profitieren könnten. In dieser Arbeit wird die gerichtete Transmission und Reflexion positionell ungeordneter Huygens-Metaoberflächen sowohl experimentell als auch numerisch charakterisiert, es wird ein einfaches theoretisches Modell vorgestellt, welches die Beobachtung eines durch Unordnung induzierten Phasenübergangs auf der Grundlage effektiver Multipolmomente erklärt, und es wird bestätigt, dass positionelle Unordnung tatsächlich ein wertvoller Freiheitsgrad in der Gestaltung holografischer und wellenfrontformender Bauelemente ist. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend könnte in Zukunft erforscht werden, wie die gerichtete Transmission und Reflexion positionell ungeordneter Huygens-Metaoberflächen über deren Partikelanordnungen und/oder höheren Multipolmomente maßgeschneidert werden kann.
