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基于相位收敛驱动的通用化超构器件伴随优化方法OA

A generalized adjoint optimization method for metasurfaces enabled by phase-convergence

中文摘要英文摘要

本文构建了一种以相位调控机制为核心的超构器件通用伴随优化方法.该方法的核心在于建立了一个梯度-结构映射模型,将复数域的伴随梯度转化为物理可实现的结构更新量,从而在结构扰动与相位响应之间确立了稳定的迭代关系,最终实现对器件表面相位的逐点精确调控.其中伴随仿真始终采用单个电偶极子激励,无需针对不同设计任务重新构建伴随源;不同功能需求的差异完全可以通过结构更新映射的调整来实现,从而使该方法能够在统一仿真模型下高效处理多类型波前调控任务.在此基础上,完成了多类超构器件的数值设计验证.二维纳米柱超透镜实现了接近衍射极限的聚焦性能,衍射效率为 83.9%;基于线性相位梯度的超光栅实现了 30° 的输出偏折,+1 级衍射效率为 72.4%;设计的双焦点透镜汇聚效率达到 67.2%;全息超表面能够清晰重建中空三角形图案,对应能量集中度约为 60.3%.结果表明,所提出方法具有伴随源构建简单、计算效率高、结构类型适应性强等优势,可在统一框架下高效完成不同类型超构器件的逆向设计,为超构表面在成像、波前工程、紫外探测等领域的深入应用提供了一种可行方案.

We propose a generalized adjoint-optimization method enabled by a phase-convergence mechan-ism.Central to this method is a gradient-to-structure mapping model that translates complex-valued adjoint gradients into physically realizable structural updates,establishing a stable iterative relation between structur-al perturbations and the resulting phase response.This mechanism ensures monotonic phase convergence at the device plane,enabling meta-element-level control of arbitrary phase profiles.Within this formulation,the adjoint simulation employs a single electric dipole excitation,independent of the desired metasurface func-tion.Functional diversity is achieved solely by adjusting the update mapping rather than redefining the ad-joint source or modifying the simulation model.This establishes a unified and computationally efficient in-verse-design framework capable of handling multiple types of wavefront-shaping functionalities.As proof of concept,numerical validations are performed on diverse metadevices.Specifically,a 2D nanopillar metalens and a linear phase gradient metagrating achieved efficiencies of 83.9%and 72.4%(at 30° deflection),re-spectively.For arbitrary wavefront shaping,a bifocal lens showed a focusing efficiency of 67.2%and a holo-graphic metasurface generated a hollow triangle pattern with 60.3%energy efficiency.Our results confirm that the proposed method features simplified source construction,high computational efficiency,and strong adaptability,providing a unified and viable framework for the engineering of metasurfaces in imaging,wave-front engineering,and ultraviolet detection.

张越;尹浩然;王硕;韩晓泉;邹承均;吴晓斌

中国科学院微电子研究所 光电技术研发中心,北京 100029||中国科学院大学,北京 100049中国科学院大学,北京 100049中国科学院微电子研究所 光电技术研发中心,北京 100029||中国科学院大学,北京 100049中国科学院微电子研究所 光电技术研发中心,北京 100029||中国科学院大学,北京 100049中国科学院微电子研究所 光电技术研发中心,北京 100029中国科学院微电子研究所 光电技术研发中心,北京 100029||中国科学院大学,北京 100049

信息技术与安全科学

超构表面伴随优化相位收敛调控单电偶极子伴随源

metasurfacesadjoint optimizationphase convergence controlsingle electric dipole adjoint source

《中国光学(中英文)》 2026 (3)

490-502,13

中国科学院战略性先导科技专项资助项目(No.XDA0380104)Supported by the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(No.XDA0380104)

10.37188/CO.2025-0161

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