逆向设计可实现大规模高性能超光学重塑虚拟现实

       超光学（meta-optics）是一种新型的平面光学，通过使用人工亚波长组件或“meta-atoms”重塑了电磁波工程。物理学领域的最新突破，以及大规模超光学制造的进步，激发了人们对未来广泛应用超光学的憧憬。最近的研究证明了基于超光学平台的尖端技术，如偏振/光场/深度成像摄像机、超表面驱动OLEDs、虚拟/增强现实系统、紧凑型光谱仪等。到目前为止，超光学的主流设计大多基于“正向”方法。正向设计成功地实现了简单的设备功能，如单波长波弯曲或聚焦；然而，它严重依赖于先验的直观知识，并限制了大规模复杂超光学系统的开发，该系统可以根据波长、偏振、自旋和入射光角度实现多种自定义功能。随着设计问题的复杂性、直径或限制的扩大，正向驱动方法搜索最优解的能力变得越来越弱。逆向设计旨在优化超光学设计，但目前受到昂贵的蛮力数值求解器的限制，仅限于小型设备，这也很难通过实验实现。

       近日，来自哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院的Zhaoyi Li等人提出了一个通用的三维非周期性的大规模（20k×20k λ2）复杂超光学逆设计框架，分别通过快速近似求解器和伴随方法降低了模拟和优化的计算成本。他们的框架通过代理模型自然地解释了制造限制。在实验中，他们展示了在可见光中工作的经像差校正的金属透镜，具有高数值孔径、多色聚焦和厘米级的大直径。这种大规模的超光学为应用打开了一个新的范例，他们通过使用超目镜和激光背光微液晶显示器展示了其在未来虚拟现实平台中的潜力。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

       文章链接：Zhaoyi Li et al. Inverse design enables large-scalehigh-performance meta-optics reshaping virtual reality. Nature Communications (2022)13:2409 https://doi.org/10.1038/s41467-022-29973-3