基于3D拓扑优化模型设计的可制造狄利克雷光栅
计算物理
2026-03-17 v1 光学
摘要
我们将FEM基于的拓扑优化框架推广至在可见光和近红外范围内（400-1,500nm）进行反射工作的3D狄利克雷光栅。设计区域通过基于密度的SIMP插值描述，并使用 adjoint 方法进行优化，使其能够处理数万个自由度。首先种方法直接将拓扑优化应用于3D有限元网格（网格基），产生一种自由形式的结构，在目标入射角下可实现平均衍射效率62%（order -1），覆盖两个八分之一波段。然而，此类图案制造困难。因此，我们引入基于柱体的参数化方法，将制造约束嵌入优化循环。 resulting 的二值化光栅compatible于电子束光刻和Reactive Ion Etching技术，在s极化下实现平均效率57%，覆盖相同光谱带，并具有低偏振依赖性。本工作表明，大规模3D拓扑优化可桥接宽带光学性能与现实纳米制造约束之间的差距，以实现狄利克雷光栅。
引用
@article{arxiv.2603.14013,
title = {Manufacturable blazed metasurface gratings designed by 3D topology optimization model},
author = {Simon Ans and Frédéric Zamkotsian and Guillaume Demésy},
journal= {arXiv preprint arXiv:2603.14013},
year = {2026}
}
备注
15 pages including 8 figures, 1-page appendix including 2 figures