[论文解读] Broadband Polarization-Independent Achromatic Metalenses with Unintuitively-Designed Random-Shaped Meta-Atoms

Xiaojie Zhang, Haiyang Huang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 38被引用 5

一句话总结

本文提出一种用于超宽带、偏振无关、非色差金属透镜的逆向设计方法，采用具有四重对称性与圆滑边缘的非直观形状、类随机的超原子。该方法可在广阔的设计空间中实现高效优化，实验制备的金属透镜在近红外波段实现465 nm带宽，性能优异，且不依赖于传统的天线形几何结构。

ABSTRACT

Metasurface lenses, namely metalenses, are ultrathin planar nanostructures that are capable of manipulating the properties of incoming light and imparting lens-like wavefront to the output. Although they have shown promising potentials for the future miniaturization of optics, the chromatic aberration inherited from their diffractive nature plagues them towards many practical applications. Current solutions for creating achromatic metalenses usually require searching through a large number of meta-atoms to find designs that fulfill not only phase but phase dispersion requirements, which leads to intensive design efforts. Besides, most designs are based on regular-shaped antennas driven by the designers' intuition and experience, hence only cover a limited design space. Here, we present an inverse design approach that efficiently produces meta-atoms with unintuitive geometries required for broadband achromatic metalenses. We restricted the generated shapes to hold four-fold reflectional symmetry so that the resulting metalenses are polarization insensitive. In addition, meta-atoms generated by our method inheritably have round edges and corners, which make them nanofabrication-friendly. Our experimental characterization shows that our metalenses exhibit superior performance over a broad bandwidth of 465 nm in the near-infrared regime. Our method offers a fast and efficient way of designing high-performance achromatic metalenses and sheds new insights for unintuitive design of other metaphotonic devices.

研究动机与目标

• 克服金属透镜因衍射特性导致的色差问题。
• 通过探索超越传统超原子形状的更广阔设计空间，减少传统非色差金属透镜设计所需的繁重工作量。
• 通过超原子几何结构中的四重反射对称性实现偏振无关性。
• 开发一种可生成适合纳米制造的超原子的设计方法，其特征为圆滑边缘。
• 在不依赖直观或规则形状超原子设计的前提下，实现高性能的超宽带非色差聚焦。

提出的方法

• 采用逆向设计框架，生成满足超宽波段内相位与相位色散要求的复杂、非直观几何形状的超原子。
• 通过设计空间约束，强制实现四重反射对称性，以确保偏振无关性。
• 对超原子形状进行优化，使其天然具备圆滑的边缘与拐角，提升与纳米制造工艺的兼容性。
• 该方法利用计算优化，同时满足超宽带相位控制与色散补偿。
• 所得的超原子几何形状并非基于传统天线构型，从而可探索非直观、高性能的配置。
• 最终设计经实验制备与表征，以验证其在近红外光谱中的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 逆向设计方法能否生成无需依赖直观或规则形状的超原子几何结构，从而实现在金属透镜中实现超宽带非色差聚焦？
• RQ2 如何系统性地将四重对称性融入超原子设计，以确保偏振无关性？
• RQ3 具有圆滑特征的超原子几何结构在多大程度上可提升纳米制造兼容性，同时保持光学性能？
• RQ4 所提出的方法能否在极少设计投入下实现比传统方法更宽的运行带宽？
• RQ5 采用非直观、非规则超原子形状设计的金属透镜，其可实现的带宽与聚焦效率如何？

主要发现

• 所制备的金属透镜在近红外波段展现出465 nm的超宽带响应，证实了有效的非色差聚焦。
• 金属透镜在整个465 nm带宽范围内均保持高聚焦效率，证实了其超宽带性能。
• 四重对称超原子设计确保了偏振无关性，对入射偏振态变化表现出极低敏感性。
• 超原子具有圆滑的边缘与拐角，有利于纳米制造，并减少应力集中。
• 逆向设计方法成功生成了非直观、高性能的超原子几何结构，在带宽与效率方面优于传统设计。
• 实验结果验证了理论预测，证实了所提出设计框架的有效性。