撰稿|由课题组供稿
近日，哈尔滨工业大学朱嘉琦教授、新加坡科技设计大学吴琳教授、新加坡国立大学仇成伟教授联合团队在多机制混合超表面设计实现重要创新——提出、验证漫反射与吸收混合的超表面逆向设计框架。基于多目标优化框架实现对高自由度结构漫反射与吸收机制的灵活调控，最终实现大范围的散射场缩减灵活设计。相关成果以“Inverse design of diffusion-absorption hybrid metasurfaces”为题发表在Laser & Photonics Reviews。
随机超表面通过以随机相位的元件组成阵列实现对光场调控，已经在散射场控制方面取得了重要进展。然而，仅通过漫反射机制实现的散射场缩减的效果存在理论极限。这一限制促使研究人员寻求混合其他机制以实现更显著的性能提升。将吸收机制与随机超表面结合起来，形成了漫反射-吸收混合超表面，成为一种有前景的策略，能够有效改善宽带、强缩减和低剖面关键指标。
目前，针对漫反射-吸收混合超表面需要精心设计单元在宽频带的吸收幅值与反射相位、阵列在宽频带的散射效果。这往往需要专业人员长期参与设计与大量的算力消耗，难以根据实际需求进行及时调整。逆向设计提供了一种高效的按需设计方案，有望解决多机制融合问题。但是目前逆向设计工作集中于单机制超表面设计与优化。一方面这是由于常规单目标优化算法仅能通过积分或定义权重因子方式设计多光谱性能，导致难以精确设计宽频带目标。另一方面，现有常规单元结构缺乏设计自由度，通过调整结构参数方式难以同时满足多光谱特性。这两者的共同作用阻碍了混合机制超表面的灵活设计。
图1. 所提出的扩散-吸收混合超表面的概念示意图，右侧插图显示了一对反相吸收单元结构。利用多目标优化框架可以调节所提出的混合超表面的吸收和漫反射，实现对散射场缩减的灵活定制。
基于惠更斯原理，研究团队构建了满足阻抗匹配的高自由度单元。并通过多目标逆向设计方法，实现了对单元宽带吸收性能和特定反射相位的精准设计，并通过单元的空间分布引入漫反射，实现了散射场的灵活定制。这种方法提供了一个多功能的结构和优化框架，能够有效地集成多种机制，并赋予灵活调控波前的能力。
图2. 利用多目标逆向设计实现漫反射-吸收混合超表面的设计框架。a) 从单元到阵列优化的设计过程。b) 单元和阵列设计的输入和优化目标。c) NSGAII算法优化流程图，用于单元和阵列设计。
作为概念验证，研究团队制备了三个典型样品，并通过全波模拟和实际实验进行了验证，展示了广泛可设计的散射场降低范围，实测结果实现12.32–24.46 dB 散射场缩减设计范围。同时提出的超表面具备实际应用潜力，在8.27-21.2 GHz范围内实现了超过20 dB的散射场降低，同时保持良好的极化稳定性和最高达50°的角度不敏感性。
图3. 三种典型超表面实物图以及对应的理论计算、仿真、实测结果。
总而言之，本研究提出了一种实现漫反射-吸收混合超表面灵活设计的高自由度结构范式和多目标优化框架。通过采用逆向设计混合吸收和漫反射机制，能够实现显著的散射场缩减并实现超表面性能的灵活设计。这种方法为设计集成多种机制的混合元器件提供了有效的解决方案。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202300280
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