Nano Letters.逆向设计的超构光栅

撰稿|由课题组供稿

近日，武汉大学电子信息学院李仲阳教授课题组（Nanophotonics & Emerging Application Laboratory, NEAL）提出并验证了一种利用逆向设计超构光栅的方法，实现了一种突破传统光学器件工作模式的自由空间光束合并功能。研究成果以“Free-Space Optical Merging via Meta-Grating Inverse-Design”为题，在线发表于Nano Letters。论文第一作者为硕士生王泽静、硕博连读生代尘杰，通讯作者为武大李仲阳教授。

研究工作围绕光束操控中的一个基础功能开展——光束合并。如图1所示，在传统光学器件中，光束合并的功能通常由具有半透半反性质的分光镜来实现，其将一束光的透射光束和另一束光的反射光束合并为一束新的光束。此方法不仅要求光从器件两侧入射，增加了系统体积与复杂性，同时还产生一束等强度的非目标去向光束。自由空间光束合并的难点在于将各自不同的波矢量赋予不同的定向光束。

图1. 传统的光束合并与自由空间光束合并

与传统的光束合并器件相比，该研究提出的自由空间光束合并则是利用超构光栅分别向不同角度入射的光提供特定的横向波矢，从而将两束反射光合并。所提出的自由空间光束合并克服了传统器件利用反射和透射两种模式并要求光从两侧入射，仅通过反射形式即可完成光束合并，有替代传统半透半反镜的可能性，丰富了光束操控器件的多样性，有助于未来光学系统的微型化与集成化。

为实现自由空间光束合并器件设计，该研究基于广义斯涅尔定律并借鉴角度复用型超表面，提出了光束合并超构光栅的设计机理，采用全局进化算法和边界优化算法构建一套逆向设计方法，以优化设计超构光栅的拓扑结构与尺寸参数使其获得高效率和低杂散光的光束合并功能。作为示例，一个由逆向设计生成的自由空间光束合并超构光栅的实验结果如图2所示，从不同角度入射的光均被超构光栅反射向零度附近，其表现出一定的工作带宽，较低的杂散光强度，以及相对较高的光束合并效率。

图2. 超构光栅在不同角度入射下测量的反射角谱及光束合并效率

武汉大学李仲阳教授课题组(https://whuneal.wordpress.com/)近年来在可调控超构表面（Adv. Fun. Mater.,2021,32(10)、Adv. Fun. Mater.,2021,32(9)、Adv. Opt. Mater.,2021,9(17)）,空间或片上功能复用超构表面（Laser Photonics Rev.,2022,202100638、Nano Lett.,2022,22(5)、Small,2021,17(34)）等方面发表多项研究成果。

文章链接：

Free-SpaceOptical Merging via Meta-Grating Inverse-Design | Nano Letters (acs.org)

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c05026?ref=PDF