西安光机所在太赫兹超表面逆向设计领域取得新进展

近日，中国科学院西安光机所超快光科学与技术全国重点实验室在太赫兹频段超表面逆向设计领域取得新进展，相关研究成果以《High accuracy inverse design of reconfigurable metasurfaces with transmission-reflection-integrated achromatic functionalities​》为题，发表于光学类国际知名期刊Nanophotonics。论文第一作者为江晓强博士，通讯作者为范文慧研究员。西安光机所是第一完成单位和通信单位。

传统超表面设计方法长期依赖人工经验与试错策略，存在结构设计单一、效率低、计算资源消耗大等问题。此外，超构单元在初始设计阶段常采用简单的几何构型，由于结构参数的设计自由度不足，难以实现电磁波的高精度和多功能调控。近年来，深度学习算法虽能优化计算效率，但其在逆向设计阶段面临显著挑战：超表面在工作频段内的复杂频谱响应，导致相位调控特性与目标需求之间仍存在较大偏差，且复杂的共振响应特征使得神经网络难以准确建立“几何结构-电磁响应”的逆向映射关系。

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高精度超表面逆向设计方法及透射/反射双功能的宽频段聚焦涡旋光产生器示意图

对此，研究团队提出了一种融合物理机制分析与深度学习算法的逆向设计策略。通过多极矩散射能量理论，系统分析超构单元与太赫兹波相互作用的物理机制，并据此设计性能优异的超构单元，构建高质量数据集。结合深度神经网络和迁移学习算法，该策略降低了神经网络对训练数据的需求，减少了迭代次数。测试结果表明，神经网络预测值与实际仿真值的相对误差仅为10^-4量级。基于此，研究团队构建了在0.7~1.3THz频段具有透射/反射双功能的宽频段聚焦涡旋太赫兹波产生器。该研究为多功能超表面的实现提供了高精度的高效逆向设计方案，有望拓展超表面在片上太赫兹通信和成像系统等领域的实际应用。

西安光机所范文慧研究员带领的太赫兹光子学与表面微纳智造团队长期深耕于超宽频谱太赫兹波产生与探测、超快太赫兹波谱成像与应用、太赫兹频段超材料与超表面功能器件等领域。多项成果陆续发表于Carbon、Nanophotonics、Journal of Science: Advanced Materials and Devices、Optics Letters、Optics Express、Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy等期刊，受到国内外同行高度认可。

论文链接：https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0680