摘要：由于超材料和超表面的亚波长结构单元的形状和尺寸具有很大的设计自由度,可对电磁波的振幅、相位、波前和方向等进行复杂而精确的调控,同时随着结构参数数量的增加,结构设计的时间往往呈指数增长。提出了一种基于反向传播(BP)神经网络快速优化超表面结构的方法,实现了兼具高衍射效率、宽带宽和高角色散等优势的太赫兹介质超光栅。利用有限次数的严格耦合波分析建立的数据集来训练BP神经网络,可准确预测任意结构参数的超光栅衍射光谱,并通过遍历所有结构参数快速筛选出具有最高衍射效率且宽带宽的超光栅,相比传统的遍历计算方法速度提高了一万倍,证明了基于BP神经网络的超表面优化方法的高效性以及精准性,同时为太赫兹波段提供了一种性能优异的衍射元件。

摘要：几何相位,又被称为Pancharatnam-Berry相位,因设计简单、相位延迟可覆盖2π范围且与频率无关等优势在光学超表面中被广泛用于波前操控.几何相位超表面的效率和带宽往往受限于其结构单元实现正交偏振变换的能力.当工作频率偏离设计频率时,结构单元往往不能完全改变入射圆偏振光的手性,导致仅被改变手性的部分光波波前被调控,而其余光波未被调控.为此,本工作提出了一种几何相位超表面透镜,得益于其结构单元的高效率、宽频带的正交偏振变换能力,该透镜可实现亚太赫兹波束的宽带聚焦.其结构单元为一维低折射率介质光栅,可在130-165 GHz的范围内实现正交偏振变换.通过旋转、截断和拼接此光栅构成二维平面透镜,数值仿真表明该透镜在60-160 GHz的宽带范围内,均保持在40%以上的聚焦效率.超表面透镜的带宽远大于其结构单元的偏振变换带宽,这是由光栅不同的截断长度导致的.这款透镜可以采用3D打印进行加工,制作方便,成本低廉,对发展紧凑型亚太赫兹波束操控元件具有重要意义.