用于高效光帆推进的轻量化宽带反射镜逆向设计

光可以对物体施加力，有望将米级光帆推进至接近光速。应对此类宏大目标中诸多挑战的关键在于对光帆进行纳米结构加工以调控其光学散射特性。在本快报中，我们通过对基于堆叠光子晶体层的通用几何结构施加大规模优化技术，首次对光帆的光子设计进行了详尽研究。该优化通过严格耦合波分析并结合用于伴随变量梯度计算的自动微分方法实现。采用这些方法，我们优化了光帆的推进效率，该效率涉及高宽带反射率与质量减轻之间的权衡。令人惊讶的是，无论材料如何选择，最优结构均为简单的一维亚波长光栅，其加速距离性能较先前研究提升近50%。我们的框架可扩展至解决其他光帆挑战，如热管理与推进稳定性，以及集成光子学应用如紧凑型反射镜。