Inverse Design of Multifunctional Metasurface Based on Multipole Decomposition and the Adjoint Method

多极展开 消色差透镜 光学 反问题 分束器 计算机科学 反向 物理 数学 量子力学 数学分析 激光器 几何学
作者
Dasen Zhang,Zhenzhen Liu,Xiaotong Yang,Jun‐Jun Xiao
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:9 (12): 3899-3905 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.2c01187
摘要

The functional and optimal design of optical metasurfaces poses great challenges, particularly in situations requiring multifunctionalities. The conventional forward design relies on a priori knowledge, which limits the development of metasurfaces with customized functions. Inverse design has achieved major breakthroughs in developing new optical functionalities but has been hindered by inevitably invoking a full-wave electromagnetic solver, subjected to low efficiency, slow convergence, and being hard to implement. Here, we propose a general and computationally efficient inverse-design framework based on multipole decomposition and adjoint optimization. By this method, we demonstrate an achromatic metalens working across the visible and near-infrared band with a bandwidth over 400 nm. We also show the design of the metasurface for multiplexed focusing at the RGB wavelength, and the metasurface for stimulated emission depletion (STED) microscopy, which generates a tightly focusing point at the excitation beam wavelength and doughnut-shaped focus for the STED beam wavelength. Our scheme could be further improved to include more geometrical degrees of freedom and show great applications in free-space diffractive optics and deep diffractive neural network.
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