超表面透镜技术新突破：快速绘制各种光学效果图案，解决高挑战性光学设计

从这个起始图案开始，团队采用了一种名为拓扑优化的数学技术，然后在多次迭代中调整每个像素块的图案，直到最终的整体表面或拓扑能够以优选的方式散射光线。

Johnson将这种方法比作是眼睛蒙住，然后寻找上山的道路。为了产生所需的光学效果，像素块中的每个像素应该具有最佳的蚀刻图案，这可以被认为是山峰。对于像素块中的每个像素，寻找这个山峰属于拓扑优化问题。

他说道：“对于每个模拟，我们都在寻找调整每个像素的道路。然后你有了一个你可以重新模拟的新结构，并且每次上坡时都要继续这个过程，直到达到山峰，或者说优化的图案。”

团队研发的解决方案只需数小时就能识别出最优的图案。对于传统的逐像素方法，如果直接应用于大尺寸超比哦啊面，这将是几乎不可能完成的任务。

利用所述的技术，研究人员迅速为多种“超元件”或具有不同光学特性的透镜提出了优化的光学模式，这包括从任何方向吸收入射光并将其聚焦到单个点的太阳能聚光器。

Johnson指出：“比方说相机中的透镜，如果它把焦点对准你，它应该能够同时聚焦所有颜色。红色不应该聚焦，但蓝色失了焦。所以为了允许它们进入同一个位置，你必须构思一种以相同方式散射所有颜色的图案。我们的技术能够得出一种可以完成所述目标的图案。”

展望未来，研究人员将联手工程师蚀刻复杂的图案并产生大尺寸的超表面，从而用于智能手机和其他光学应用。

论文作者之一Raphaël Pestourie表示：“这种表面可以作为自动驾驶汽车的传感器，或者用于需要优秀光学元件的增强现实。这种技术可允许你解决更具挑战性的光学设计。”

值得一提的是，美国陆军研究署（U. S. Army Research Office）为这项研究提供了一定的资金支持。

原文链接：http://news.mit.edu/2019/mathematical-tune-metasurface-lenses-0520 

论文链接：https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-27-11-15765