超構(gòu)表面設(shè)計(jì)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
超構(gòu)表面設(shè)計(jì)的實(shí)例教程
原文信息
原文標(biāo)題：“AI for optical metasurface”
第一作者：Akira Ueno、Juejun Hu、Sensong An
超表面的特性與商業(yè)化需求
作為一種由亞波長單元構(gòu)成的二維人造材料陣列結(jié)構(gòu)，超表面能夠憑借特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與排列，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波相位、振幅和偏振的有效調(diào)控。歷經(jīng)多年發(fā)展，超表面正逐步從實(shí)驗(yàn)室邁向商業(yè)市場(chǎng)。要達(dá)成這一轉(zhuǎn)變，需要更先進(jìn)準(zhǔn)確的超表面單元設(shè)計(jì)方法，要考慮加工制造過程中的偏差，還需引入特定處理算法以提升光學(xué)性能。那么，超表面怎樣才能 “走進(jìn)千家萬戶” 呢？人工智能給出了一套可行的解決方案。
AI X 超表面（來自原文）
AI 助力超表面單元設(shè)計(jì)突破局限
當(dāng)前，超表面單元設(shè)計(jì)廣泛采用的方法以周期性邊界條件近似假設(shè)為基礎(chǔ)。當(dāng)相鄰單元的耦合較弱且相位梯度較小時(shí)，這種方法可以快速設(shè)計(jì)出符合要求的超表面。但在該框架下，無法設(shè)計(jì)出具有大數(shù)值孔徑和視場(chǎng)角的超表面（Metasurface）或超透鏡（Metalens），而這恰恰是超表面相較于傳統(tǒng)光學(xué)和衍射光學(xué)元件（DOE）的核心優(yōu)勢(shì)。
AI與超表面單元設(shè)計(jì)案例（來自原文）
近年來，研究人員提出了幾種新穎的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）模型，這些模型將相鄰單元的形貌納入輸入范圍，并利用大型數(shù)據(jù)集來識(shí)別實(shí)際邊界條件下不同相鄰單元產(chǎn)生的影響。例如，以目標(biāo)單元和與其最相鄰的八個(gè)單元作為輸入，來預(yù)測(cè)目標(biāo)單元的響應(yīng)。利用時(shí)域有限差分法（FDTD）獲取充足的訓(xùn)練數(shù)據(jù)后，模型能夠充分考慮單元之間的相互耦合，進(jìn)而輸出高效率的超表面單元結(jié)構(gòu)。
AI 應(yīng)對(duì)超表面制造與封裝偏差
在超表面的生產(chǎn)制造與封裝過程中，必然會(huì)存在偏差，這是超表面設(shè)計(jì)中無法回避的問題。
展開 接下來，我們首先設(shè)計(jì)一個(gè)近紅外波段的BIC。為不失一般性，我們將近紅外波段的BIC推廣到我們所需要的THz波段，體會(huì)設(shè)計(jì)思路。軟件為Comsol。
我們選取兩根介質(zhì)硅棒作為我們的結(jié)構(gòu)，如下圖所示，
兩根介質(zhì)棒嚴(yán)格等長平行，在電磁場(chǎng)的激勵(lì)下會(huì)形成振幅相等但相位相反的一對(duì)電偶極子共振。。
在x和y方向我們選擇周期性邊界條件（注意：x方向設(shè)一個(gè)周期性邊界，y方向設(shè)一個(gè)周期性邊界），如下圖所示，
z方向是我們的入射方向，在完美匹配層邊界處設(shè)置入射端口和出射端口。
這里我們選擇TM模式激發(fā)，考慮沿x軸斜入射的情況，磁場(chǎng)方向始終與波矢方向垂直，沿y方向。
首先我們?cè)诠獠ǘ危ㄝ^為常見）去設(shè)計(jì)BIC，BIC是無法觀測(cè)的，如下圖藍(lán)線所示，因此設(shè)計(jì)思路是在一個(gè)大的頻率范圍內(nèi)去尋找準(zhǔn)BIC。這里我們打破結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，將其中一個(gè)介質(zhì)棒截短。打破了C2對(duì)稱性（旋轉(zhuǎn)180度無法與自身重合），此時(shí)，無法兩個(gè)電偶極子無法嚴(yán)格干涉相消，泄露出來形成準(zhǔn)BIC，如下圖綠線所示。同理，其他對(duì)稱性破缺方式也可以形成準(zhǔn)BIC。
5 推廣到THz
接下來介紹如何將已有的模型/BIC推廣到想要的波段。在上述例子中，BIC大概位于1050 nm，THz波段我們選取0.5 THz，波長大概為600 um。在光學(xué)中如果按照一定的倍數(shù)縮放模型尺寸，那相應(yīng)的波長也會(huì)以相同的倍數(shù)縮放。因此縮放后，我們可以得到THz的BIC和準(zhǔn)BIC，分別如下圖藍(lán)線和綠線所示。
具體仿真模型和詳細(xì)操作指南歡迎通過公眾號(hào)“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。
展開 而低頻噪聲由于具有波長大、穿透性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，傳統(tǒng)的隔聲材料需要通過不斷增加材料的重量、體積來提升低頻隔聲效果，一方面顯著增加了隔聲成本，另一方面也占用了大量有效空間，因此，如何在不顯著增加材料重量和體積的前提下提升低頻隔聲效果(即打破質(zhì)量作用定律的限制)是隔聲領(lǐng)域中研究難點(diǎn)
研究內(nèi)容：
結(jié)合薄膜型聲學(xué)超材料與聲學(xué)超表面在低頻降噪領(lǐng)域的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)一種薄膜型聲學(xué)超表面，研究超寬帶低頻隔聲的可能性。致力于實(shí)現(xiàn)低頻寬帶隔聲降噪并實(shí)現(xiàn)隔聲帶的可調(diào)節(jié)性。
圖1. 薄膜型聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)示意圖
技術(shù)路線：
在COMSOL軟件中對(duì)薄膜型聲學(xué)超表面的隔聲特性進(jìn)行仿真分析。首先建立有限元仿真幾何模型，然后設(shè)置變量和定義材料屬性，建立圓柱形空氣域，對(duì)入射口出射口積分，計(jì)算入射、出射聲功率。設(shè)置薄膜的預(yù)應(yīng)力，模型框架設(shè)置邊界固定條件，并劃分自由四面體網(wǎng)格。在采用壓力聲學(xué)頻域和固體力學(xué)兩個(gè)物理場(chǎng)接口。
建立薄膜聲學(xué)超表面的幾何模型并完成網(wǎng)格的劃分：
圖2.幾何模型的構(gòu)建
圖3.網(wǎng)格的劃分
圖4.薄膜聲學(xué)超表面的預(yù)應(yīng)力對(duì)隔聲損失的影響
圖5.論文中的預(yù)應(yīng)力對(duì)隔聲損失的影響
基于以上分析，可改變參數(shù)對(duì)其參數(shù)化掃描，即可得到薄膜型聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)化參數(shù)的影響。
最后,有相關(guān)需求歡迎通過公眾號(hào)"320科技工作室"與我們聯(lián)絡(luò)
展開 而低頻噪聲由于具有波長大、穿透性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，傳統(tǒng)的隔聲材料需要通過不斷增加材料的重量、體積來提升低頻隔聲效果，一方面顯著增加了隔聲成本，另一方面也占用了大量有效空間，因此，如何在不顯著增加材料重量和體積的前提下提升低頻隔聲效果(即打破質(zhì)量作用定律的限制)是隔聲領(lǐng)域中研究難點(diǎn)
研究內(nèi)容：
結(jié)合薄膜型聲學(xué)超材料與聲學(xué)超表面在低頻降噪領(lǐng)域的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)一種薄膜型聲學(xué)超表面，研究超寬帶低頻隔聲的可能性。致力于實(shí)現(xiàn)低頻寬帶隔聲降噪并實(shí)現(xiàn)隔聲帶的可調(diào)節(jié)性。
圖1. 薄膜型聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)示意圖
技術(shù)路線：
在COMSOL軟件中對(duì)薄膜型聲學(xué)超表面的隔聲特性進(jìn)行仿真分析。首先建立有限元仿真幾何模型，然后設(shè)置變量和定義材料屬性，建立圓柱形空氣域，對(duì)入射口出射口積分，計(jì)算入射、出射聲功率。設(shè)置薄膜的預(yù)應(yīng)力，模型框架設(shè)置邊界固定條件，并劃分自由四面體網(wǎng)格。在采用壓力聲學(xué)頻域和固體力學(xué)兩個(gè)物理場(chǎng)接口。
建立薄膜聲學(xué)超表面的幾何模型并完成網(wǎng)格的劃分：
圖2.幾何模型的構(gòu)建
圖3.網(wǎng)格的劃分
圖4.薄膜聲學(xué)超表面的預(yù)應(yīng)力對(duì)隔聲損失的影響
圖5.論文中的預(yù)應(yīng)力對(duì)隔聲損失的影響
基于以上分析，可改變參數(shù)對(duì)其參數(shù)化掃描，即可得到薄膜型聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)化參數(shù)的影響。
最后，有相關(guān)需求歡迎通過公眾號(hào)“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。
展開 附件下載
聯(lián)系工作人員獲取附件
前言
在本例中，我們展示了基于超表面的CMOS圖像傳感器濾光片的逆向設(shè)計(jì)，它可以替代傳統(tǒng)的拜耳濾光片，后者因用吸收來過濾色彩而導(dǎo)致光損耗。我們可以通過在 Lumopt（基于 Python 的 Lumerical 優(yōu)化工具）中使用紅色和藍(lán)色像素的綜合強(qiáng)度作為品質(zhì)因數(shù)，顯著提高每個(gè)像素的效率。
綜述
為了設(shè)計(jì)超表面，我們使用了 Lumerical Lumopt 的多參數(shù)、多目標(biāo)拓?fù)淠嫦?em>設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。我們將超原子的折射率在 1.0（空氣）到 2.4（TiO2）之間變化，并最大限度地提高 2D 紅色和藍(lán)色敏感傳感器區(qū)域的光學(xué)效率。
步驟1：定義基礎(chǔ)模擬項(xiàng)目
下載示例附帶的文件并將所有文件解壓到一個(gè)公共目錄中。然后我們需要定義一個(gè)基礎(chǔ)模擬項(xiàng)目，包括模擬區(qū)域、優(yōu)化區(qū)域、光源和監(jiān)視器。初始模擬是通過腳本文件 Base_script_2D_TE_volume.lsf 生成的。我們可以通過在 FDTD 中打開并運(yùn)行腳本來檢查設(shè)置：
首先，我們需要定義超表面的兩種材料的折射率。此案例中分別為 1.00 和 2.4。我們將空氣的折射率設(shè)置為 1。
其次，我們需要將監(jiān)視器的位置定義為每種顏色的品質(zhì)因數(shù) (FOM) 監(jiān)視器。您可以通過更改場(chǎng)區(qū)域監(jiān)視器的大小來修改像素的大小和位置。
最后，我們需要通過監(jiān)視器定義優(yōu)化區(qū)域。我們將優(yōu)化區(qū)域的大小定義為 3 x 1 μm。此外，您可以根據(jù)需要更改優(yōu)化區(qū)域。
步驟2：定義優(yōu)化區(qū)域
下一步，我們需要在腳本文件 topo_focus_2D_basic.py 中定義幾個(gè)優(yōu)化參數(shù)。
首先，我們需要定義如下品質(zhì)因數(shù)。在 FDTD 腳本文件編輯器中打開topo_focus_2D_basic.py。
展開 
超構(gòu)表面設(shè)計(jì)的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
超構(gòu)表面設(shè)計(jì)的最新內(nèi)容
授課時(shí)間
2026/5/19（二）-5/20（三）
AM 9:00-PM 16:00
授課地點(diǎn)
上海市嘉定區(qū)南翔銀翔路819號(hào)中暨大廈18樓1805室
課程講師
訊技光電工程團(tuán)隊(duì)及資深顧問
課程費(fèi)用
4800RMB/1人次
(課程包含課程材料費(fèi)、開票稅金、午餐費(fèi))
課程簡介
授課時(shí)間：：2026/5/28（四）-5/29（五）（各城市并行開課）
課程時(shí)數(shù)：2天/城市
授課地點(diǎn)：深圳市光明區(qū)鳳凰街道尚智科技園1棟B座1503
課程講師：訊技光電工程師隊(duì)
課程費(fèi)用：3600RMB/1人次
(課程包含課程材料費(fèi)、開票稅金、午餐費(fèi))
課程簡介
Course Introduction
光柵是現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中最為常用的一種衍射光學(xué)元件
<p class="ql-align-center"><strong>折超混合系統(tǒng)的自動(dòng)設(shè)計(jì)</strong></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong style="color: rgb(13, 80, 199);">簡介</strong></p><p class="ql-align-justify">超表面是一種厚度遠(yuǎn)小于波長的人工層狀材料
原文信息
原文標(biāo)題：“AI for optical metasurface”
第一作者：Akira Ueno、Juejun Hu、Sensong An
超表面的特性與商業(yè)化需求
作為一種由亞波長單元構(gòu)成的二維人造材料陣列結(jié)構(gòu)，超表面能夠憑借特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與排列，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波相位、振幅和偏振的有效調(diào)控。歷經(jīng)多年發(fā)展，超表面正逐步從實(shí)驗(yàn)室邁向商業(yè)市場(chǎng)。要達(dá)成這一轉(zhuǎn)變
Eleven
BIC在周期性光學(xué)結(jié)構(gòu)中是一類常見的共振態(tài)，但區(qū)別于其他的共振態(tài)，BIC無法向外界輻射電磁波。形成BIC最根本的原因是干涉相消，類似于初中光柵衍射實(shí)驗(yàn)中的暗紋。因此，想要嚴(yán)格地干涉相消，結(jié)構(gòu)往往需要滿足一定的對(duì)稱性，例如C2對(duì)稱性，C4對(duì)稱性，這類BIC稱為受對(duì)稱性保護(hù)的BIC（symmerty-protected BIC）。當(dāng)打破結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，無法完全地干涉相消，因此會(huì)有部分能量泄露出來
附件下載
聯(lián)系工作人員獲取附件
前言
在本例中，我們展示了基于超表面的CMOS圖像傳感器濾光片的逆向設(shè)計(jì)，它可以替代傳統(tǒng)的拜耳濾光片，后者因用吸收來過濾色彩而導(dǎo)致光損耗。我們可以通過在 Lumopt（基于 Python 的 Lumerical 優(yōu)化工具）中使用紅色和藍(lán)色像素的綜合強(qiáng)度作為品質(zhì)因數(shù)，顯著提高每個(gè)像素的效率。
綜述
為了設(shè)計(jì)超表面，我們使用了 Lumerical
研究背景：
在隔聲領(lǐng)域，高頻噪聲屬于易于隔離的頻段噪聲，使用隔音板或隔音墻便可達(dá)到良好的隔聲效果。而低頻噪聲由于具有波長大、穿透性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，傳統(tǒng)的隔聲材料需要通過不斷增加材料的重量、體積來提升低頻隔聲效果，一方面顯著增加了隔聲成本，另一方面也占用了大量有效空間，因此，如何在不顯著增加材料重量和體積的前提下提升低頻隔聲效果
多個(gè)場(chǎng)景案例的應(yīng)用講解，學(xué)習(xí)借助FDTD在超構(gòu)表面設(shè)計(jì)、超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)、納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性研究、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)方向的研究。
詳情請(qǐng)看：軟研科技
微信號(hào)：XIE-Tloml
研究背景：
在隔聲領(lǐng)域，高頻噪聲屬于易于隔離的頻段噪聲，使用隔音板或隔音墻便可達(dá)到良好的隔聲效果。而低頻噪聲由于具有波長大、穿透性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，傳統(tǒng)的隔聲材料需要通過不斷增加材料的重量、體積來提升低頻隔聲效果，一方面顯著增加了隔聲成本，另一方面也占用了大量有效空間，因此，如何在不顯著增加材料重量和體積的前提下提升低頻隔聲效果
