基于直接波塑形拓扑优化的单片式弹性超表面设计用于先进波操控

弹性超表面能够精确操控弹性波，应用于振动隔离、传感和成像等领域。然而，实现具有复杂功能的高效率且无散射的性能仍是一项基本挑战。传统的广义斯涅尔定律（GSL）设计存在固有低效率和寄生散射问题；近期的替代方案——包括阻抗匹配方法和基于衍射光栅的超光栅——试图克服这些缺点。虽然已实现效率提升，但两种方法在生成聚焦等复杂波场方面均受到限制。本文提出一种直接波塑形（DWS）拓扑优化框架，绕过这些中间概念并自动设计高性能的单片式弹性超表面。为降低高昂的计算开销，我们采用可移动、可变形且可交互的椭圆形空洞对几何进行参数化，从而大幅减少设计变量，同时实现整体优化，天然地考虑了非局域单元间耦合。我们通过设计弹性超表面来演示该框架，涵盖具有大角度波束偏转的高效纵波-横波转换、波长复用波束偏转，以及数值孔径超过0.99的反射式和透射式金属透镜。与最先进的梯度折射率、基于阻抗和混合设计相比，我们的超表面始终表现出更优的效率、显著降低的寄生散射和增强的聚焦能力，其中最具挑战性的透射式金属透镜已通过实验验证。本工作为实现实用的高性能弹性超表面以进行先进波操控建立了可扩展且计算高效的途径。