超構表面器件高效設計和大面積加工研究取得進展

超構表面（metasurface）作為一種人工二維材料，利用亞波長尺度的單元結構與入射電磁波的相互作用可以實現對電磁波振幅、相位和偏振的高效調控。相較於傳統器件，超構表面具有低剖面、高集成度以及多功能化等優勢，因此受到了人們的廣泛關注。

近年來，雖然超構表面在理論設計和加工製備上取得了長足的發展，但該領域仍然面臨諸多問題和制約。在器件設計上，由於缺乏系統的理論支撐，超構表面單元結構的優化主要依賴於利用模擬軟體進行參數掃描，再通過設計者的專業知識對結果進行選取。這種方式不僅需要消耗大量的時間，而且所得的結果通常為局域最優解，從根本上限制了超構表面器件的響應。在器件加工上，由於超構表面單元結構的特徵尺寸都為亞波長量級，如何在大面積的基底上加工高質量的單元結構也是超構表面器件實用化面臨的亟待解決的問題。

針對以上的問題，中國科學院光電技術研究所的科研人員從理論設計和加工製備兩方面出發實現了一類超構表面器件的高效設計和大面積加工。在理論方面，通過對單元結構間的電磁場進行理論分析和計算推導，創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構和對應電磁響應的直接聯繫，而不需要藉助其他的模擬軟體。在此基礎上，針對特定的器件響應，利用遺傳演算法進行反向設計得到單元結構的幾何參數。該設計方法可以大幅度縮減器件的設計時間並且實現器件效率最大化。在加工方面，提出了分散式曝光的加工工藝，發展了一套適用於大面積、高精度、基於柔性基底的加工流程，可以在米級的基底上加工特徵尺寸為微米量級的樣品。在以上兩方面突破的基礎上，設計和加工了大口徑薄膜吸波器和天線，器件的響應都遠超同類型器件並且接近於理論極限，有望推動超構表面器件的實用化進程。該工作發表於《先進科學》（Advanced Science. DOI:10.1002/advs.201801691），並被選為當期的封面文章。

示意圖

來源：中國科學院光電技術研究所

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