综述：从设计角度阐述大面积高性能光学超构表面的实现
2024-09-08 07:40:38   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，光学超构表面（metasurface）的设计取得了显著的进步，尤其是在紧凑型设计方面。然而，为了在现实应用中将其集成到各种光学系统，迫切需要在不损失性能的前提下实现更大面积的超构表面。就设计而言，设计过程的重点是降低计算成本，同时提升更大面积器件的性能。

据麦姆斯咨询报道，近日，来自韩国浦项科技大学（Pohang University of Science and Technology，POSTECH）的科研团队从设计角度对大面积高性能光学超构表面的实现进行了深入探讨。这项研究首先介绍了适用于大面积的多种光学分析方法，包括边界条件修正、快速多极子方法（FMM）、耦合模式理论（CMT）和基于神经网络的方法。此外，该研究还讨论了适用于大规模设计的逆向设计方法，如伴随法和深度学习。多种快速且精确的模拟方法使得以低成本评估大面积超构表面的光学特性成为可能，而多样的逆向设计方法则有望实现高性能（如图1）。通过同时解决大面积超构表面设计中的关键问题，该研究全面讨论了开发高性能超构表面的各种方法。最后，该研究还总结了实现大规模生产高性能超构表面所面临的其它挑战与未来前景，展现其在光学应用中的发展潜力。这篇综述论文以“Realization of high-performance optical metasurfaces over a large area: a review from a design perspective”为题发表在npj Nanophotonics期刊上。

图1 大面积超构表面设计的挑战与突破

快速模拟方法

就设计过程而言，随着超构表面尺寸的增大，当务之急是降低与超构表面设计相关的计算成本，并最大限度地减少因尺寸增大而带来的性能下降。快速模拟需要加速的计算方法。因此，计算方法中速度与精度之间的平衡技术至关重要，如边界条件的修正（如图2）、FMM（如图3）、CMT（如图4）和基于神经网络的方法（如图5）等计算方法已被应用于大规模分析。该研究详细论述了这四种方法的优劣势及其在大面积超构表面设计中的应用。

图2 通过修正边界条件实现的超构单元方法及其变化

图3 FMM在电磁散射中的实现

图4 利用CMT的快速模拟

图5 基于神经网络的光学超构表面的快速模拟

逆向设计方法

随着超构表面尺寸的增大，在正向设计过程中真正实现超构原子（meta-atom）的最优解变得愈发具有挑战性，主要原因是自由度的增加。为了解决传统正向设计方法的固有限制，逆向设计应运而生。在逆向设计中，超构表面的目标函数是基于计算算法实现的。逆向设计通过拓扑优化、启发式和深度学习等多种方法最大化或最小化目标函数，即为优值（FoM）。在众多逆向设计方法中，伴随法（如图6）和深度学习（如图7）得到了最广泛应用。

图6 利用伴随法逆向设计光学超构表面

图7 利用深度学习逆向设计光学超构表面

综上所述，通过采用快速、精确的模拟方法和高效的优化工具，能够有效地缓解大面积超构表面设计所带来的计算问题。首先，为了快速、精确地模拟大面积超构表面，多种修正边界条件已被设置。其次，逆向设计方法弥补了大面积超构表面正向设计的性能限制。研究表明，在处理仅靠人力难以解决的复杂性问题上，与正向设计方法相比，通过逆向设计方法实现的超构表面表现出更优越的性能。尽管存在局限性，研究人员已开发出各种制造工艺，以便经济高效地制备大面积超构表面，而快速模拟技术与逆向设计的结合，已被证明是一种支持大面积超构表面设计的高性能方案。此外，目前用于纳米光子学的开源软件和代码（如MEEP和MetaBox）也为大面积超构表面的模拟与优化提供了便利。因此，超构表面有望突破尺寸限制，成为未来光学平台中的重要光学器件。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s44310-024-00029-2

延伸阅读：

《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》　

《光学和射频应用的超构材料-2024版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》