近日，中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在太赫茲頻段超表面逆向設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得新進(jìn)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(xué)類國(guó)際知名期刊Nanophotonics。論文第一作者為江曉強(qiáng)博士，通訊作者為范文慧研究員。西安光機(jī)所是第一完成單位和通信單位。

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

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高精度超表面逆向設(shè)計(jì)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

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種融合物理機(jī)制分析與深度學(xué)習(xí)算法的逆向設(shè)計(jì)策略。通過(guò)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(jī)制，并據(jù)此設(shè)計(jì)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(xué)習(xí)算法，該策略降低了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的需求，減少了迭代次數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值與實(shí)際仿真值的相對(duì)誤差僅為10^-4量級(jí)。基于此，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)提供了高精度的高效逆向設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用。

西安光機(jī)所范文慧研究員帶領(lǐng)的太赫茲光子學(xué)與表面微納智造團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕于超寬頻譜太赫茲波產(chǎn)生與探測(cè)、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(xiàng)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(guó)內(nèi)外同行高度認(rèn)可。

論文鏈接：https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0680