Semi-analytic modeling of stacked metasurfaces

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines semi-analytischen Models mehrschichtiger nano- strukturierter Oberflächen. Einzelne Schichten werden hierbei in Forschungsgemeinschaft als “Metasurface” bezeichnet. In Folge nennt man Schichtsysteme aus Metasurfaces “Metasurface Stacks” oder “Stacked Metasurfaces”. Das besondere an Metasurfaces liegt an einer speziellen Art der Licht-Materie-Wechselwirkung. Im Gegensatz zu herkömmlichen, natürlich vorkommenden optischen Materialien, welche im Wesentlichen durch ihre atom- und molekularphysikalischen Eigenschaften wechselwirken, besitzen Metasurfaces mesoskopische Strukturen. Diese haben Größen, die der von Lichtwellen entsprechen. Dadurch entstehen zum einen Streuphänomene die komplexe Feldwechselwirkungen erzeugen. Darüberhinaus sorgen evaneszente Felder, die auf der Oberfläche der Nano-Strukturen angeregt werden können, für ein geändertes Resonanzverhalten, welches sich durch verschiedene Reflektions- und Absorptionseigenschaften auszeichnet. Sind die Strukturen einer Metasurface periodisch angeordnet lassen sich die dort angeregten Felder durch sogenannte Bloch-Moden beschreiben. Diese sind periodische Feldlösungen der Maxwell-Gleichungen. Betrachtet man nun die Gesamtheit aller Bloch-Moden der Metasurface, kann man eine dominante Mode mit, im Vergleich zu allen anderen, maximalem Energietransport in das Fernfeld identifizieren. Diese nennt man in der Literatur Fundamentalmode. Ist die Metasurface so beschaffen, dass bei Wechselwirkung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge diese Fundamentalmode signifikant alle anderen Moden dominiert und letztere stark dämpfen, das heißt evaneszent abfallen, so kann das betreffende Medium als homogen gedeutet werden. Darauf basierend wurde in der vorliegenden Arbeit ein semi-analytisches Model von Stacked Metasurfaces entwickelt, welches verschiedenen experimentellen Tests stand hielt. Ein besonderer Erfolg liegt in der Erweiterung des Modells zur Untersuchung von Feynman-Pfaden

Equivalence of reflection paths of light and Feynman paths in stacked metasurfaces

We show the existence of virtual polarization states during the interaction of modes in metasurface stacks. In support of our findings we experimentally realize a metasurface stack, consisting of an isotropic layer of nanopatches and an anisotropic layer of nanowires. Utilizing an analogy to the interaction of electrons at junctions in mesoscopic electron transport via Feynman paths, we present a semi-analytic description of the modal interaction inside this stack. We then derive a series of all possible reflection paths light can take inside the metasurface stack

Contactless heart rate measurement in newborn infants using a multimodal 3D camera system

Newborns and preterm infants require accurate and continuous monitoring of their vital parameters. Contact-based methods of monitoring have several disadvantages, thus, contactless systems have increasingly attracted the neonatal communities' attention. Camera-based photoplethysmography is an emerging method of contactless heart rate monitoring. We conducted a pilot study in 42 healthy newborn and near-term preterm infants for assessing the feasibility and accuracy of a multimodal 3D camera system on heart rates (HR) in beats per min (bpm) compared to conventional pulse oximetry. Simultaneously, we compared the accuracy of 2D and 3D vision on HR measurements. The mean difference in HR between pulse oximetry and 2D-technique added up to + 3.0 bpm [CI−3.7 – 9.7; p = 0.359, limits of agreement (LOA) ± 36.6]. In contrast, 3D-technique represented a mean difference in HR of + 8.6 bpm (CI 2.0–14.9; p = 0.010, LOA ± 44.7) compared to pulse oximetry HR. Both, intra- and interindividual variance of patient characteristics could be eliminated as a source for the results and the measuring accuracy achieved. Additionally, we proved the feasibility of this emerging method. Camera-based photoplethysmography seems to be a promising approach for HR measurement of newborns with adequate precision; however, further research is warranted