超構(gòu)表面器件高效設(shè)計和大面積加工研究取得進展

超構(gòu)表面(metasurface)作為一種人工二維材料，利用亞波長尺度的單元結(jié)構(gòu)與入射電磁波的相互作用可以實現(xiàn)對電磁波振幅、相位和偏振的高效調(diào)控。相較于傳統(tǒng)器件，超構(gòu)表面具有低剖面、高集成度以及多功能化等優(yōu)勢，因此受到了人們的廣泛關(guān)注。

近年來，雖然超構(gòu)表面在理論設(shè)計和加工制備上取得了長足的發(fā)展，但該領(lǐng)域仍然面臨諸多問題和制約。在器件設(shè)計上，由于缺乏系統(tǒng)的理論支撐，超構(gòu)表面單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要依賴于利用仿真軟件進行參數(shù)掃描，再通過設(shè)計者的專業(yè)知識對結(jié)果進行選取。這種方式不僅需要消耗大量的時間，而且所得的結(jié)果通常為局域最優(yōu)解，從根本上限制了超構(gòu)表面器件的響應(yīng)。在器件加工上，由于超構(gòu)表面單元結(jié)構(gòu)的特征尺寸都為亞波長量級，如何在大面積的基底上加工高質(zhì)量的單元結(jié)構(gòu)也是超構(gòu)表面器件實用化面臨的亟待解決的問題。

針對以上的問題，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的科研人員從理論設(shè)計和加工制備兩方面出發(fā)實現(xiàn)了一類超構(gòu)表面器件的高效設(shè)計和大面積加工。在理論方面，通過對單元結(jié)構(gòu)間的電磁場進行理論分析和計算推導(dǎo)，創(chuàng)新性地提出了懸鏈線電磁模型。通過該模型可以建立幾何結(jié)構(gòu)和對應(yīng)電磁響應(yīng)的直接聯(lián)系，而不需要借助其他的仿真軟件。在此基礎(chǔ)上，針對特定的器件響應(yīng)，利用遺傳算法進行反向設(shè)計得到單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。該設(shè)計方法可以大幅度縮減器件的設(shè)計時間并且實現(xiàn)器件效率最大化。在加工方面，提出了分布式曝光的加工工藝，發(fā)展了一套適用于大面積、高精度、基于柔性基底的加工流程，可以在米級的基底上加工特征尺寸為微米量級的樣品。在以上兩方面突破的基礎(chǔ)上，設(shè)計和加工了大口徑薄膜吸波器和天線，器件的響應(yīng)都遠超同類型器件并且接近于理論極限，有望推動超構(gòu)表面器件的實用化進程。