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可以实现矢量光控制的超薄高效光学器件设计

导读

近日，来自阿卜杜拉国王科技大学的A. Fratalocchi团队，报道了一种逆向设计方法，成功实现了在可见光波段进行矢量光控制的高效（高达99％）超薄（厚度小于50 nm）光学器件。该团队提出了一种可以实现神经网络通用函数近似器功能的纳米半导体结构，并将其成功用于偏振分束器的设计，极有效地降低了吸收损耗。

鉴于光学器件设计领域重要性的日益增长，本文报道的利用纳米半导体结构实现通用函数近似器的方法无疑为设计光学器件带来了新的突破和进展。

研究背景

传统光学器件体积大和价格高的特点是轻便和可穿戴光电器件发展道路上的主要障碍，而平面光学器件（flat optics）则希望通过用高度集成的纳米结构表面来代替常规光学器件来解决这一问题。目前这项技术已被运用于各种光学器件的设计当中，如透镜，全息器件，滤镜，等等。

而在可见光波段，大多数平面光学器件都采用了波长范围在250nm至800nm之间的厚结构设计。尽管此设计在红外波段的效果很好，但是在可见光波段却受到吸收损耗的严重限制。目前的研究显示，按照此方案设计的光学器件（如透镜，偏振分束器等等）的最佳工作效率仅在18%至67%之间。为提高工作效率，学者们也尝试了基于TiO2，Si3N4和GaN等材料的器件，并将工作效率提高至91.6%，但这些材料的折射率较低，要实现较好的效果必须采用纳米级别的结构，这对生产技术提出了很高的要求，因此无法进行大规模生产。

另一种解决这个问题的方案就是逆向设计技术，逆向设计技术通过将目标响应设置为输入参数，使用计算机来优化品质参数来完成光学材料和结构的设计，以替代基于经验和直觉的传统平面光学设计方法。当前，学者们提出的逆向设计方法主要包括对周期已知的周期单元的结构优化，或者是用随机折射率分布来生成复杂光学模式，并且研究都集中在近红外或千兆赫兹频率的高透明区域。尽管逆向设计技术在部分光学器件如偏振分束器和金属透镜的设计上取得了不俗的成就，然而，逆向设计研究仍然缺乏一种能够确保生产高效率工作设备的通用方案，这是逆向设计技术当前的局限之一。

而不论是正向设计方案还是逆向设计方案，在可见光波段，这些设计方法通常都用于控制透射或反射中的系统响应，并且还尚未解决反射和透射中同时出现的宽带矢量光控制问题，比如二向色反射镜及其他标准器件就尚未能够在平面光学器件中实现。因此，如果能够找到可以设计出高工作效率且能够满足应用需求的宽带平面光学器件的方法，无疑对于整个可见光波段的平面光学器件研究具有及其重大的意义。

创新研究

在本研究中，研究团队首先证明了通过对半导体纳米结构进行适当的工程设计，可以使其实现类似于神经网络的拟合功能，即可以近似用户定义的任意的输入-输出函数，进而可以设计出能够实现任意定义的电磁响应的平面光学表面结构。研究团队严格地证明了该系统具有与前馈神经网络相同的通用表达式，其基本思路如图一所示。在这一点的基础上，研究团队设计出规则下的自主进化设计系统（Autonomous Learning Framework for Rule-based Evolutionary Design，ALFRED）以实现完整的高效率平面光学器件的逆向设计。该系统采用粒子群搜索算法在解空间中来寻找最优的光学器件结构，同时结合用平面光学结构实现的函数近似器作为全连接神经网络，来预测更优的光学器件结构，如图二所示。

为验证ALFRED系统的有效性，研究团队实现了一系列用于不同应用的平面光学器件，并将它们的性能与传统设计（正向与逆向兼有）所得的结构进行比较，同时引入了由带宽定义的，尚未由平面光学实现的新结构。研究团队用ALFRED系统对偏振分束器和二向色反射镜进行了最优结构设计。实验结果表明，由ALFRED系统设计所得的平面光学器件在可见光波段的工作效率保持在90%至99%之间，如图三至图五所示。这不仅证明了ALFRED系统极佳的设计效果，同时也为平面光学研究以及光学器件设计领域提供了一条崭新的研究思路。

文章信息：

该研究成果以"Broadband vectorial ultrathin optics with experimental efficiency up to 99% in the visible region via universal approximators"为题在线发表在Light: Science & Applications。

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