基于半逆相位匹配的超表面色散设计方法研究及其宽带应用

研究人员针对传统超表面色散设计方法（正向/逆向法）无法兼顾理论方程可解释性与输出场反馈优化性的难题，提出基于相位匹配的半逆设计方法。该方法通过匹配理论相位与超原子相位响应实现色散设计，并依据远场能量分布迭代优化超表面工作参数与超原子组合，成功研制出工作波段850-1800 nm、效率>70%的消色差超透镜（metalens），平均效率75%的光谱路由器，以及衍射效率≈80%的异常色散超透镜，为应用光学领域提供了创新设计范式。

　　

这项突破性研究展示了一种革命性的超表面(metasurface)色散调控策略。传统设计方法如正向法(forward method)和逆向法(inverse method)存在理论方程与实验优化难以协同的固有缺陷，而新开发的半逆相位匹配技术巧妙解决了这一矛盾。研究团队通过建立理论相位方程与超原子(meta-atoms)相位响应的动态匹配机制，结合远场能量分布的实时反馈，实现了工作参数与超原子组合的智能迭代优化。

基于该方法成功构建了三类高性能宽带器件：首款消色差超透镜在1100-1800 nm波段实现>70%的透射效率，覆盖近红外至短波红外区域；光谱路由器在850-1550 nm范围保持75%的平均效率，展现优异的分光特性；更令人惊叹的是异常色散超透镜在1200-1800 nm波段达到≈80%的衍射效率，突破了传统光学器件的色散限制。这些成果为宽带成像、光谱分析等应用光学领域提供了全新的设计范式，标志着纳米光子学(nanophotonics)领域的重要进展。