文献阅读2025年7月

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首页>> news>> 2025年7月组内文献阅读汇报

文献标题：A Deep Learning Approach for Objective-Driven All-Dielectric Metasurface Design

传统的超表面器件设计依赖于试错法来获得目标的电磁( EM )响应，这种方法需要花费大量的精力来研究大量可能的超原子结构。本文介绍了一种深度学习建模方法，我们的神经网络方法克服了以往基于神经网络的设计方案有限的两个关键挑战：输入/输出向量尺寸失配和准确的电磁波相位预测。此外，这是第一个用于表征三维介电结构的神经网络。通过与优化算法或神经网络相结合，该方法可以通用地应用于整个电磁频谱范围内的各种超表面器件设计。研究内容：本文提出了一种基于深度神经网络（DNN）的数据驱动方法，用于全介质超表面（all-dielectric metasurface）的快速、准确建模与逆向设计。正向建模：构建了一个预测神经网络（PNN），用于快速预测3D全介质超原子（meta-atom）的复透射系数（包括幅度与相位）。逆向设计：基于PNN，设计了多个目标驱动的逆向设计网络。创新点：首次实现3D全介质超原子的幅度与相位同时预测，解决了以往方法只能预测幅度或相位不准的问题。通过预测复透射系数的实部与虚部，避免了输入参数少、输出频谱点多的维度不匹配问题。不仅适用于圆柱形超原子，还成功扩展至H形、自由形等复杂结构。结论：PNN在测试集上对幅度和相位的预测误差均低于1%，远优于传统插值方法与已有DNN模型。该方法不局限于特定频段或结构，可推广至红外、可见光甚至微波频段，适用于透镜、滤波器、波束偏转器、可重构器件等多种功能器件设计。

文献来源：Sensong An, Clayton Fowler, Bowen Zheng, Mikhail Y. Shalaginov, Hong Tang, Hang Li, Li Zhou, Jun Ding, Anuradha Murthy Agarwal, Clara Rivero-Baleine, Kathleen A. Richardson, Tian Gu, Juejun Hu, and Hualiang Zhang,ACS Photonics 2019 6 (12), 3196-3207

报告人：王艺

Unique Berry phase in one-dimensional topological photonic systems 一维拓扑光子系统中独特的Berry phase

拓扑光子学是近年来凝聚态物理和光子学的交叉领域，旨在利用拓扑不变量（如Berry相位、陈数）设计具有鲁棒性的光学器件。一维光子系统的拓扑性质通常由Zak相位（一种特殊的Berry相位）表征，但其量化值依赖于原点的选择（需位于反转对称中心），导致拓扑判断存在模糊性。内容包括针对传统Zak相位（TZP）的局限性：TZP的值为0或π仅当原点选在反转对称中心（如二元光子晶体中的A层或B层中心），若原点选在其他位置（如A/B层之间），TZP无法量化。有一定的拓扑模糊性：不同原点选择可能导致相反的拓扑结论（如0或π），影响对界面态存在的判断。提出Unique Berry phase（UBP），通过用电场积分替代传统的布洛赫函数积分，消除对原点选择的依赖。并通过数值模拟证明了这一点，认为UBP能更可靠地预测拓扑相变。一值得注意的是，这种UPB的提出为拓扑光子学提供了首个与规范选择无关的拓扑不变量，可能推动实验测量新范式（例如通过电场分布直接反演拓扑性质），提供了强有力支撑。二需要说明的是，UBP虽在光子系统中提出，但作者强调其可直接推广至电子系统（如拓扑绝缘体、超晶格）启发在于UBP不仅解决了拓扑光子学中长期存在的原点选择难题，更可能重塑凝聚态物理中拓扑不变量的定义逻辑。具体来说，它甚至可以推广到通过看电场分布直接反演拓扑性质。该论文是纯理论/数值研究，虽未公开代码，但提供了足够模型细节以及补充材料供我们独立复现。

文献来源: Optics Letters (Vol. 50, No. 3, 2025). 作者：Lin, Y. C., Huang, I. C., Cheng, S. H., & Hsueh, W. J.

报告人：付子怡

文献标题:Dielectric metasurface enhanced performance inmultilayer WS, photodetector 《介质超表面增强多层二硫化钨（WS₂）光电探测器的性能》

近年来，二维材料因其原子级厚度和优异光电性能成为研究热点。与单层相比，多层虽具有更好的机械稳定性和更高的电子迁移率，却因带隙结构从直接变为间接，导致光吸收率显著降低。这种特性差异源于材料能带结构的根本改变：单层WS₂作为直接带隙半导体，允许电子在不改变动量的情况下直接从导带底跃迁至价带顶，因而在可见光波段（如532 nm）可实现约5%的光吸收效率；而多层WS₂的间接带隙迫使电子跃迁时必须借助声子协助以补偿动量失配，这一过程极大抑制了光子吸收效率。因此，突破多层WS₂的本征光吸收限制，成为提升其光电器件性能的关键突破口。本文主要讲述二维介质超表面光电探测器，其核心创新在于采用SU8介质光刻胶构建可调谐超表面：通过软纳米压印技术在WS₂光电探测器表面精准构筑纳米图案，形成垂直腔尺寸可控的微结构（图1a）。研究内容1：该器件基于多层WS₂薄膜，有效利用超表面界面的双重增益机制——局域电场增强效应与光捕获效应协同作用，显著提升光吸收效率。创新点：（1）损耗控制，用低损耗介质超表面替代传统等离子体结构，避免金属材料固有热损耗，使用软压印-刻蚀联合工艺，实现二维材料与光子器件的无损集成；（2）性能提升，仔细控制空腔尺寸形成微腔，通过 RIE 在纳米结构的表面引入粗糙纹理，增强局部电场效应与光散射，使光子驻留时间延长，从而最大限度地提高了器件的光电性能，将外量子效率（EQE），响应度（R）和比探测率（D*）提高了一个量级左右；（3）多功能设计，SU8结构兼具光学增强与封装保护双重功能，提升器件稳定性。文章结论：本研究通过软纳米压印技术构建的2d-DMP器件实现关键突破——超表面结构显著增强局部电场效应与光散射，使光子驻留时间延长，同时反应离子刻蚀引入可控表面缺陷优化局域电场分布，提升光捕获效率。启发：解决多层二维材料响应弱缺点，该技术通过SU8超表面与多层WS₂的集成，为高性能光电探测器提供了低成本、可扩展的制造方案。

文献来源:SCIENCE CHINAInformation Sciences 作者： Huijuan ZHAO, Weigi WANG, Huanlin DING, Sumei WANG, Zemin TANGShuhan LI, Jiaxuan WANG, Yufan WANG, Qiyuan ZHOU1, Anran WANG，Yuanfang YU1 & Li GAO. 发表日期: 2025

报告人：胡楠楠

文献标题： Arbitrary Tuning of Polarization and Circular Dichroism Based on Guided Mode Resonance of Achiral Dielectric Metasurfaces

背景:高效圆二色性（CD）器件需复杂手性结构（如螺旋线、Z形）或外场调控（液晶/石墨烯），加工难度高且CD值有限（小于0.6）。基于准BIC的CD调控依赖精密对称性破缺（如双镰刀结构），结构容差低。导模共振（GMR）虽具宽谱特性，但此前未用于CD动态调谐。研究内容:非手性超表面设计：单元仅含非手性截断介质光栅（TDG）：非晶硅纳米块（周期P=900 nm, 长L=795 nm, 宽W=307 nm, 高H=360 nm）覆盖二氧化硅衬底。GMR模式实现CD调谐：倾斜入射（俯仰角θ=8°）下，调节方位角φ实现：CD连续调谐（-0.97~0.97）：波长1.55 μm（GMR模式），Q因子≈150。偏振态任意操控：线偏振入射时，输出可由左旋圆偏振→线偏振→右旋圆偏振连续切换。物理机制：多极分解表明CD由磁偶极（MD）与环偶极（TD）协同主导：φ变化时，LCP/RCP激发下MD与TD分量相对强度反转，导致透射差异。实验验证：ICP刻蚀制备样品，实测CD达0.81（理论0.97），容差±65 nm（L=795±65 nm仍保持高CD）。创新点:结构颠覆性简化：首次利用非手性矩形结构实现近完美CD，规避传统手性/准BIC设计的复杂度（单元仅3个几何参数）。GMR替代BIC：揭示GMR模式在Γ点外的涡旋偏振特性（拓扑电荷q=-1），提供媲美BIC的CD调控能力，且Q因子更适用（>150）。全被动动态调谐：仅通过旋转样品方位角（φ）实现CD符号/幅度连续切换，无需外场或活性材料。文章结论:TDG超表面以极简非手性结构实现CD近完美调谐（-0.97~0.97）和偏振态任意控制，实验验证高重复性与参数容差。该设计为自旋选择性波前整形、光学加密和角度传感提供新范式，突破手性超表面的加工与应用瓶颈。启发:多波段迁移： GMR模式可拓展至可见光/太赫兹波段，结合超表面相位调控实现多维光场集成器件。动态器件集成：将方位角旋转机制微纳化（如MEMS驱动），构建片上可调谐偏振滤波器。生物传感应用：高CD灵敏度（Δφ=1°→ΔCD≈0.02）适用于手性分子实时检测。

文献来源: Laser & Photonics Reviews.DOI:10.1002/lpor.202500007 作者: Fanghao Zhou, Chenqian Wang, Rui Wang et al. 发表日期： 2025.3.17

报告人：刘高敬

文献标题: Reconstructive spectrometer using double-layer disordered metasurfaces 双层无序超表面重构式光谱仪

传统光谱仪依赖光栅或棱镜分光，受限于“分辨率–体积”权衡及波长-距离退化问题，难以在厘米尺寸内实现小于1 nm分辨；而滤波片、干涉式及现有重构式方案或带宽受限，或需逐波长反复标定，难以兼顾高分辨率、宽波段与小型化。研究内容包括了利用两层无序硅氮化物（SiNx）纳米柱超表面作为随机色散元件，将其直接贴合在CMOS图像传感器上，构建厘米级“片上”重构式光谱仪。通过预先计算或一次性标定得到波长-散斑库，再以反演算法从单幅散斑图像中复原入射光谱。系统工作波段440–660 nm，光谱通道221个，实测分辨率达～1 nm。创新点一是首次提出并实验验证“双层无序超表面”作为随机色散元件，打破传统光栅/棱镜在尺寸与分辨率之间的权衡。创新点二是建立可预测的波传播模型，实现一次性标定覆盖全波段，免去了逐波长校准。文章结论为在440–660 nm范围内实现221通道、~1 nm分辨、厘米级尺寸的片上光谱仪；兼具高鲁棒性、易集成、低成本，为微型高分辨光谱检测提供了可行路径。启发在于双层无序架构可扩展至近红外-太赫兹波段，亦可推广到高光谱成像、时空光场调控、超快脉冲整形等多维光学信息处理领域。

文献来源：Science Advances 11, eadv2376 (2025) 作者：Dong-gu Lee, Gookho Song, Chunghyung Lee, Chanseok Lee, Mooseok Jang*

报告人：高恩博

文献标题：Hybrid Metasurfaces of Plasmonic Lattices and 2D Materials （混合超表面：等离激元晶格与二维材料）

等离激元超表面通过将光压缩到亚波长体积，显著增强光与物质的相互作用，广泛应用于光化学、生物传感和非线性物理等领域。然而，传统等离激元纳米结构因辐射和非辐射损耗，限制了其光谱质量。二维材料（如石墨烯、hBN、TMDs）因量子限域效应表现出独特的光学、电学和机械性能，但由于其原子级厚度，光与物质的交互效率较低。等离激元晶格与二维材料的混合超表面通过结合两者的优势，为纳米尺度光操控提供了新的平台，展现出增强光致发光（PL）、量子发射和谷电子学等应用的潜力。内容包括：等离激元共振基础：介绍了SPPs、LSPRs、相位梯度超表面和衍射耦合等离激元超表面，强调表面晶格共振在增强电磁场和抑制损耗方面的作用。二维材料光学性质：阐述了石墨烯、hBN、TMDs、黑磷（BP）和MXenes的可调光学特性，包括宽带吸收、非线性光学响应和谷选择性光致发光。应用：探讨了增强的光致发光（最高提升209倍）、量子发射、光电探测）、非线性光学和谷电子学（谷极化度高达43%）。创新点一通过将等离激元晶格与二维材料结合，利用SLRs实现窄线宽（低至2 nm）和强近场增强，显著提升光操控能力。二是提出直接在等离激元晶格上生长二维材料（例如Cu纳米颗粒上的石墨烯，Au纳米颗粒上的MoS2），减少缺陷并提高稳定性。文章结论为等离激元晶格与二维材料的混合超表面为增强光与物质的相互作用提供了多功能平台，在光致发光、量子发射、光电探测、非线性光学和谷电子学领域实现了显著改进。启发在于超表面与二维材料的结合激发了量子光学、传感和高效能电子学的跨学科研究。

文献来源：Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2302265. https://doi.org/10.1002/adfm.202302265 作者：C. Guo, J. Yu, S. Deng

报告人：颜培烨

文献标题: Photonic Majorana quantum cascade laser with polarization-winding emission.

研究背景：拓扑腔是有希望的候选新型半导体激光器件, 其模式被保护免受扰动。到目前为止，已经有几个拓扑激光器展示鲁棒激光模式的演示。最近，在结构光泵或强磁场驱动的形成涡旋波前发射中，人们探索了在拓扑激光器中实现非平庸光束轮廓的可能性，这对器件应用来说是不方便的。相比之下，电泵浦的拓扑激光器因其紧凑的占地面积和易于与光子电路的片上集成而引起了人们的注意。研究内容：该工作展示了一个基于马约拉纳零模(MZM)的电泵太赫兹激光器，它具有单模激光和与圆柱形向量(CV)光束相对应的非平庸极化-绕组发射轮廓，它产生具有非零极化绕组的圆柱形向量光束。光子MZM是由蜂窝晶格形成的具有手性kekul相位调制的光子结构中的一种光谱隔离的中隙态。该研究证明了二维拓扑模式如何影响远场激光发射的拓扑特征。创新点：该研究的激光腔体设计能够同时控制发射光谱和远场光束偏振，使得类马约拉纳光子量子激光器与标准太赫兹量子激光器(如脊线激光器、分布反馈激光器、而传统的光子晶体激光器就没有这种灵活性。通过调整气孔半径和空腔尺寸等结构参数，可以进一步优化输出功率、光束发散度、极化等发射特性。

文献来源: Nat Commun 14, 707 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36418-y 作者：Song Han, Yunda Chua, Yongquan Zeng, Bofeng Zhu, Chongwu Wang, Bo Qiang, Yuhao Jin, Qian Wang, Lianhe Li, Alexander Giles Davies, Edmund Harold Linfield, Yidong Chong, Baile Zhang & Qi Jie Wang 发表日期: 09 February 2023.

报告人：罗猜