色散等离激元纳米结构在时域中的拓扑优化

拓扑优化技术已应用于集成光学与纳米光子学中，用于逆向设计那些人类直觉无法构想的形状器件。在光学频率下，这些技术仅被用于利用频域方法优化非色散材料。然而，时域公式在优化具有色散的材料时更为高效。我们针对Drude模型引入了这样一种公式，该模型广泛用于模拟金属、导电氧化物和导电聚合物的色散性质。我们的拓扑优化算法基于时域有限差分（FDTD）方法，并引入了时域敏感性分析，通过使用一次额外的FDTD仿真即可评估梯度信息。设计空间中介电与金属结构的存在会产生等离激元场增强，从而导致收敛问题。我们在优化迭代中采用人工阻尼方法，通过减弱等离激元效应解决了收敛问题。我们给出了若干2D和3D等离激元纳米天线的设计实例，其在选定频带中具有优化的场局域与增强。我们的方法有望加速由色散材料构成的宽带光学纳米结构的设计，用于纳米等离激元学、集成光学、超快光子学和非线性光学中的应用。