撰稿 | 聂佳强 导读超表面由各种不同尺寸的亚波长结构单元排布而成，因可灵活控制传播电磁波的相位、偏振和振幅而备受关注，但是高效率设计超表面器件仍然具有重大的挑战。近日，美国康宁公司Paulo Dainese团队和哈佛大学Federico Capasso团队提出了一种超表面形状优化方法，充分考虑超构原子间的相互作用，实现了更高效率的超表面优化算法。该成果发表在国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》上，题为“Shape
optimization for high efficiency metasurfaces: theory and implementation”， Paulo Dainese为论文第一作者和共同通信作者，Federico Capasso为共同通讯作者。
团队对共振状态下的51°定向偏转超表面光栅结构进行了仿真和实验研究。如图6所示，比较了不同偏振状态下，形状优化的理论和实验结果，表明其形状优化算法的确可以提高超表面的衍射效率，且理论仿真与实验结果一致。图6.
51°定向偏转共振超表面光栅仿真光谱（a）实验光谱；（b）-（c）在设计波长处的超表面光栅效率（TE和TM偏振状态下）。团队对非共振状态下的51°定向偏转超表面光栅结构也进行了仿真和实验研究。如图7所示， m=0的形状优化效果微乎其微，m=6时，可以提高超表面的工作效率。实验结果显示了与模拟中预测的相同的行为。与谐振的情况类似，在更高的傅立叶阶数m = 6下，TE和TM都表现出很高的效率，达到约83%和84%的绝对效率。图7.
51°定向偏转非共振超表面光栅仿真光谱（TE和TM偏振状态下）。最后，作者设计和制作了一个70°超表面光栅，具有宽带和偏振不敏感性。图8中虚线和实线分别显示了初始超构原子库设计和形状优化后超表面光栅的光谱效率。8(b)中的实验结果定性地再现了8(a)中的模拟，测量的峰值效率接近70%。其实验和仿真的对比如图8c所示，结果基本一致。图8.
70°宽带偏转不敏感的定向偏转超表面光栅仿真光谱（TE和TM偏振状态下）。总结展望研究团队提出的形状优化方法为超表面设计和更一般的拓扑优化提供了一种替代方法，弥补了超构原子库设计方法不能预测原子间非局域共振和拓扑优化算法所带来的复杂结构等问题。其仿真和实验结果表明，形状优化算法所得到的微纳结构尺寸不会带来工艺上的困难，且可以极大的提高超表面的衍射效率。我们相信这些结果为逆设计高效超表面的可制造性提供了一条可靠的途径。论文信息Dainese, P., Marra, L., Cassara, D. et al. Shape optimization for high efficiency metasurfaces: theory and implementation. Light Sci Appl 13, 300 (2024).https://doi.org/10.1038/s41377-024-01629-5 免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
