高精度超表面逆向設(shè)計方法及透射/反射雙功能的寬頻段聚焦渦旋光產(chǎn)生器示意圖

近日，中國科學院西安光機所超快光科學與技術(shù)全國重點實驗室在太赫茲頻段超表面逆向設(shè)計領(lǐng)域取得新進展，相關(guān)研究成果以《High accuracy inverse design of reconfigurable metasurfaces with transmission-reflection-integrated achromatic functionalities》為題，發(fā)表于光學類國際知名期刊Nanophotonics。論文第一作者為江曉強博士，通訊作者為范文慧研究員。西安光機所是第一完成單位和通信單位。

傳統(tǒng)超表面設(shè)計方法長期依賴人工經(jīng)驗與試錯策略，存在結(jié)構(gòu)設(shè)計單一、效率低、計算資源消耗大等問題。此外，超構(gòu)單元在初始設(shè)計階段常采用簡單的幾何構(gòu)型，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計自由度不足，難以實現(xiàn)電磁波的高精度和多功能調(diào)控。近年來，深度學習算法雖能優(yōu)化計算效率，但其在逆向設(shè)計階段面臨顯著挑戰(zhàn)：超表面在工作頻段內(nèi)的復雜頻譜響應(yīng)，導致相位調(diào)控特性與目標需求之間仍存在較大偏差，且復雜的共振響應(yīng)特征使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以準確建立“幾何結(jié)構(gòu)-電磁響應(yīng)”的逆向映射關(guān)系。

對此，研究團隊提出了一種融合物理機制分析與深度學習算法的逆向設(shè)計策略。通過多極矩散射能量理論，系統(tǒng)分析超構(gòu)單元與太赫茲波相互作用的物理機制，并據(jù)此設(shè)計性能優(yōu)異的超構(gòu)單元，構(gòu)建高質(zhì)量數(shù)據(jù)集。結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遷移學習算法，該策略降低了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對訓練數(shù)據(jù)的需求，減少了迭代次數(shù)。測試結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測值與實際仿真值的相對誤差僅為10-4量級?；诖耍芯繄F隊構(gòu)建了在0.7~1.3THz頻段具有透射/反射雙功能的寬頻段聚焦渦旋太赫茲波產(chǎn)生器。該研究為多功能超表面的實現(xiàn)提供了高精度的高效逆向設(shè)計方案，有望拓展超表面在片上太赫茲通信和成像系統(tǒng)等領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

西安光機所范文慧研究員帶領(lǐng)的太赫茲光子學與表面微納智造團隊長期深耕于超寬頻譜太赫茲波產(chǎn)生與探測、超快太赫茲波譜成像與應(yīng)用、太赫茲頻段超材料與超表面功能器件等領(lǐng)域。多項成果陸續(xù)發(fā)表于Carbon、Nanophotonics、Journal of Science: Advanced Materials and Devices、Optics Letters、Optics Express、Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy等期刊，受到國內(nèi)外同行高度認可。

審核編輯 黃宇