[论文解读] Near-field optical mode engineering-enabled freeform nonlocal metasurfaces

Zhongjun Jiang, Tianxiang Dai+7 more|ArXiv.org|Jun 18, 2025

Advanced Antenna and Metasurface Technologies被引用 3

一句话总结

论文引入一种逆向设计框架，以定制介电纳米光子结构中的近场分布，实现自由形态的非局部超表以及多波长和手性超表的实验演示。

ABSTRACT

Nanophotonic technologies inherently rely on tailoring light-matter interactions through the excitation and interference of deeply confined optical resonances. However, existing concepts in optical mode engineering remain heuristic and are challenging to extend towards complex and multi-functional resonant phenomena. Here, we introduce an inverse design framework that optimizes near-field distributions, ideally suited to tailor Mie-type modes within dielectric nanophotonic structures, and we demonstrate its powerful opportunities to facilitate the discovery of new classes of nonlocal metasurfaces. We show that freeform nonlocal metasurfaces supporting accidental bound states in the continuum can be readily optimized to tackle tailored illumination conditions, modal properties and quality factors. We further extend our approach to multifunctional and multipolar mode engineering, and experimentally demonstrate freeform planar nonlocal multi-wavelength and chiral metasurfaces. Our versatile and robust framework for freeform mode engineering has applications in a broad range of high quality-factor metasurface platforms relevant to sensing, nonlinear optics, optomechanics and quantum information processing.

研究动机与目标

• 需要推动系统的光学模态工程，以在纳米光子学中实现复杂的多功能共振现象。
• 开发一个逆向设计框架，优化近场分布以控制介电纳米结构中的 Mie 型模态。
• 证明在定制照明下，自由形态的非局部超表可以承载意外的连续带态（Bound States in the Continuum, BIC）。
• 将该方法扩展到多功能和多极模态工程，并进行实验验证。
• 强调在传感、非线性光学、光学机械和量子信息处理方面的潜在应用。

提出的方法

• 提出一个逆向设计工作流，在介电纳米结构内优化近场分布以定制 Mie 型共振。
• 利用连续带态（BIC）的概念，在设计照明下实现高品质因数。
• 将优化扩展以处理自由形态的非局部超表的多功能与多极模态工程。
• 制作并 experimentally Demonstrate 自由形态平面非局部超表，具备多波长和手性功能。
• 对高-Q 超表平台的鲁棒性和适用性进行基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 近场优化是否能够可靠地雕刻 Mie 型模态，以实现自由形态的非局部超表？
• RQ2 在定制照明下，如何利用意外的连续带态实现高-Q 响应？
• RQ3 该框架是否能够实现多功能和多极控制，包括手性和多波长运作？
• RQ4 实验实现是否证实预测的自由形态非局部超表行为？
• RQ5 该框架在传感、非线性光学、光学机械和量子信息处理中潜在的应用有哪些？

主要发现

• 一个逆向设计框架成功优化近场分布以控制介电纳米结构中的 Mie 型模态。
• 在特定照明条件下，带有意外 BIC 的自由形态非局部超表可实现高-Q 响应。
• 该方法扩展到多功能和多极模态工程。
• 报道了实现多波长和手性功能的自由形态平面非局部超表的实验演示。
• 该框架对高-Q 超表平台在传感、非线性光学、光学机械和量子信息处理中的应用具有广泛性和鲁棒性。