【浙大｜LPR】面向多功能超透镜的快速高效逆向设计框架

文章信息

题目（英文原题）

：Fast and Efficient Inverse Design Framework for Multifunctional Metalenses

作者

：Xixian Zu, Xiaoyu Sun, Wei Yan, Wei E. I. Sha*, Min Qiu*

单位

：浙江大学信息与电子工程学院；西湖大学工学院、西湖光电研究院、西湖大学先进技术研究院

期刊

：Laser & Photonics Reviews (LPR), 2025, Vol.19, 2400886

DOI

：10.1002/lpor.202400886

一句话核心结论

该研究提出了一种结合**形状约束拓扑优化（SCTO）与离散粒子群优化（DPSO）**的混合逆向设计框架，使多功能超透镜在实现高数值孔径、宽带消色差与扩展景深方面达到目前最佳水平，并大幅降低了设计与加工难度。

研究背景与科学问题

超透镜（Metalens）因其超薄、紧凑和高分辨率的聚焦能力，广泛应用于成像、量子光学和光谱学。然而，现有设计方法存在显著局限：

难以同时兼顾高数值孔径（NA）、宽带消色差、扩展景深（DOF）与高效率；

基于单元胞的设计方法受到局域近似和相位离散化限制，尤其在高 NA 情况下表现欠佳；

拓扑优化虽能提供更多自由度，但其结果往往存在纳米级像素化特征，极难加工。

因此，亟需一种兼具设计灵活性、计算高效性与加工可行性的新型框架。

技术原理与创新点

研究团队提出了**“混合逆向设计框架”**（Hybrid Inverse Design Framework）：

SCTO（形状约束拓扑优化）

—— 将设计空间转换为同心环形结构，既提升了结构鲁棒性和偏振无关性，又降低了仿真维度与计算复杂度。

DPSO（离散粒子群优化）

—— 在 SCTO 优化的结构基础上调整有限的高度层级，实现更高效的整体性能提升。

计算创新

—— 利用结构对称性，仅需 2D 轴对称仿真即可近似 3D 行为，显著加快计算收敛速度。

该框架兼具局部+全局优化优势，在维持加工可行性的同时实现了性能突破。

实验验证与性能

研究展示了两类超透镜：

扩展景深超透镜

材料：SiC；直径 26 µm；设计波长 1064 nm

DOF 提升至4.11 µm（单 SCTO 优化的 6 倍）

实测衍射效率23%，接近理论极限

设备采用离子束刻蚀加工，可实际应用于量子点光源高效提取

宽带消色差超透镜

工作波段：850–1150 nm，带宽300 nm

数值孔径：0.984，属于目前报道最高水平之一

跨波段保持稳定焦距，消色差效果显著

平均衍射效率：10–13%

（与其他工作对比见 Table 1，可见该设计在高带宽 + 高 NA组合上独树一帜）

学术贡献

提出了一种跨维度协同优化框架（SCTO + DPSO），实现快速逆向设计。

实验证明可在SiC 平台实现高 NA、多功能金属透镜。

展示了扩展景深与宽带消色差金属透镜的领先性能。

为量子发光器件的光场调控提供了可扩展、可加工的新设计范式。

局限性与未来方向

当前加工采用的 FIB 刻蚀存在再沉积效应，影响实际效率。

器件尺寸仍受限于计算与加工能力，未来可结合深度学习进一步放大规模。

有望扩展至其他高折射率材料平台（如 GaN、GaAs）以应用于红外或可见光量子光学。

总结

这项工作提出的混合逆向设计框架，成功解决了传统超透镜设计在高 NA、宽带、扩展景深与可制造性间的矛盾。其在量子光学、超分辨成像等领域具有重要启示——未来的平面光学设计将更高效、更“可落地”。

图文赏析

图1. 混合逆向设计框架

a) 多功能超透镜示意图。

b) 优化流程示意：局部优化（SCTO） 全局优化（DPSO）。

c) 优化过程中 FoM 演化曲线，DPSO 带来 37.6% 提升。

图2. 扩展景深超透镜的制备与测试

a) 仿真电场分布对比图（SCTO vs SCTO+DPSO）。

b) 金属透镜的 SEM 图像。

c) 光学显微镜图像（明场/暗场）。

d) 光聚焦测试截面与三维光强分布。

图3. 宽带消色差超透镜

a) 结构示意图。

b) 跨波段焦距保持曲线。

c) 仿真聚焦点扩展函数 (PSF)。

d) 不同波长下的聚焦光强分布。