文献学习 | 超表面优化设计-Light Sci. Appl. 13(1), 300 (2024)

文摘   2024-11-16 09:03   中国台湾  

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01

   研究背景 

    在光学领域,超表面是一种具有变革性的技术,它能够通过亚波长尺度的单元结构控制光波的传播特性。这些超表面在成像、偏振光学、通信和光学计算等领域展现出巨大的潜力。然而,设计高效率和多功能的超表面面临着重大挑战,因为它们涉及复杂的非局部行为和元原子间的相互作用。
02

   研究内容 

    传统的超表面设计方法主要基于元原子库,这种方法简单快速,但忽略了元原子间的非局部耦合效应,导致性能受限。另一种方法是基于拓扑优化的逆向设计,它能够利用非局部耦合实现高效率,但生成的结构复杂且难以制造。Dainese等人提出了一种新的形状优化方法,通过傅里叶分解表面梯度来控制结构复杂性,实现了高效率超表面的数值和实验验证。

该方法的核心在于通过傅里叶分解来控制元原子形状的复杂性,同时考虑到制造过程中的约束条件,如最小特征尺寸和最小间隙。这种方法允许对所有边界进行直接控制,排除了孔洞的出现,并且可以通过调整傅里叶级数的阶数来平衡性能和复杂性。

    通过数值模拟验证了该方法的有效性,并设计了多种高效率的超表面结构,包括超表面光栅和超表面透镜。实验结果表明,通过形状优化,可以显著提高超表面的效率,同时满足制造过程中的约束条件。例如,对于一个设计用于偏转51°光束的超表面光栅,形状优化将TE偏振的效率从30%提高到82%,同时保持了TM偏振的高效率。

为了验证该方法的实用性,研究者们还制造了多种超表面结构,并使用可调谐激光器测量了它们的衍射效率。实验结果与数值模拟结果吻合良好,证明了该方法在实际制造中的应用潜力。

    Dainese等人的工作提供了一种新的超表面设计方法,该方法在保持高效率的同时,还考虑了制造的可行性。这种方法为逆向设计的高效率超表面的制造提供了一条可行的路径。尽管计算成本较高,但通过使用并行计算和GPU加速的FDTD方法,可以显著提高优化过程的效率。

1:三种超表面设计方法。

2:优化过程的流程图。
3:形状优化算法的细节。
4:对双偏振51度光束偏转器的优化。
5:高数值孔径(NA)超表面透镜的形状优化。
651度共振光束偏转器的模拟和测量结果的比较。
7:非共振51度光束偏转器的模拟和测量结果的比较。
8:宽带70度光束偏转器的模拟和测量结果的比较。

参考文献:

P. Dainese, L. Marra, D. Cassara, A. Portes, J. Oh, J. Yang, A. Palmieri, J. R. Rodrigues, A. H. Dorrah, and F. Capasso, "Shape optimization for high efficiency metasurfaces: theory and implementation," Light Sci Appl 13(1), 300 (2024).

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