超表面反射器能有多薄且高效？任意方向与偏振下反射的普适界限

光反射在许多现代技术中起着关键作用。在本文中，针对由以复标量极化率表示的单一材料构成的通用平面结构，给出了任意方向和任意偏振下最大反射功率的解析表达式。将最大化反射的光-物质相互作用优化问题表述为受能量守恒与无源性约束的感应电流优化问题的解，并通过拉格朗日对偶性得到全局上界。所推导的上界适用于广泛的平面结构，包括超表面、光栅、均匀化薄膜、光子晶体板，更一般地，任何几何细节无关的的非均匀平面结构。这些界限也设定了给定有损材料为实现所需反射率的最小可能厚度极限。此外，我们的结果可发现与现有设计相比反射结构效率可大幅改进的参数区域。给出了这些发现对由真实、不完美（即有损）材料制成的优异紧凑反射元件设计的影响的示例，例如超薄高效光栅、偏振转换器和用于太阳帆/激光帆的轻量镜。