人工光子學器件的逆向設(shè)計方法與應(yīng)用（特邀）

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（1 南開大學物理科學學院，泰達應(yīng)用物理研究院，弱光非線性光子學教育部重點實驗室，天津300071）

（2 山西大學極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心，太原030006）

（3 山東師范大學光場調(diào)控及應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心，濟南250358）

0 引言

人工光子學器件通過對結(jié)構(gòu)的有序設(shè)計可以實現(xiàn)光場振幅、相位和偏振等多個維度的調(diào)控，在現(xiàn)代光學工程領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［1-3］。光子學器件的傳統(tǒng)設(shè)計方法常采用有限元法，有限時域差分法等電磁場數(shù)值模擬方法［4-7］。采用數(shù)值模擬方法設(shè)計復(fù)雜光子學結(jié)構(gòu)時通常需要先給定結(jié)構(gòu)的幾何形狀與材料參數(shù)，并經(jīng)過多次模擬計算對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行微調(diào)。在優(yōu)化過程中，結(jié)構(gòu)的初始幾何形狀與材料參數(shù)通常是根據(jù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒o定的，因此結(jié)構(gòu)可優(yōu)化的參數(shù)維度是有限的。除此之外，調(diào)參過程中需要多次迭代計算，這也增加了計算成本與時間成本。為了有效解決上述問題，光子學器件的智能優(yōu)化方法應(yīng)運而生。光子學器件的優(yōu)化可以概括為三個方面，分別是尺寸優(yōu)化［8-10］，形狀優(yōu)化［11-13］與拓撲優(yōu)化［14-16］。尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化是通過優(yōu)化光子學器件的幾何參數(shù)（周期，厚度等）與幾何形狀來提高器件性能的，而拓撲優(yōu)化是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的布局，即結(jié)構(gòu)中不同性質(zhì)材料的分布來實現(xiàn)器件性能的優(yōu)化的，因此拓撲優(yōu)化對比其它兩類優(yōu)化方式具有更高的自由度。上述三類優(yōu)化方式被廣泛的應(yīng)用于光子學器件的設(shè)計中。……