(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202110614582.2 (22)申请日 2021.06.02 (71)申请人 中国科学院长春光学精密机 械与物 理研究所 地址 130033 吉林省长 春市经济技 术开发 区东南湖大路38 88号 (72)发明人 邓永波　林雨　韩业明　 (74)专利代理 机构 深圳市科进知识产权代理事 务所(普通 合伙) 44316 专利代理师 魏毅宏 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) H01Q 1/38(2006.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种光学纳米天线设计方法、 系统以及超构 界面 (57)摘要 本申请涉及一种光学纳米天线设计方法、 系 统以及超构界面。 包括： 构建光学纳米天线的二 维模型； 基于二维模型， 采用拓扑优化方法对光 学纳米天线进行逆向设计， 将 定义于二维模型中 光学纳米天线设计区域内的节点设计变量进行 滤波和投影处理， 得到光学纳米天线设计区域内 的材质密度分布， 根据材质密度分布得到光学纳 米天线的几何结构； 基于光学纳米天线的几何结 构， 采用基于梯度信息的迭代方法求解光学纳米 天线的拓 扑优化问题， 并采用移动渐近线法演化 节点设计变量， 生成光学纳米天线的最优拓扑结 构。 本申请解决了由于金属 ‑介质‑金属波导内的 表面等离子模式和自由光子间的波矢失配导致 的耦合效率低的问题。 权利要求书4页 说明书10页 附图6页 CN 115438560 A 2022.12.06 CN 115438560 A 1.一种光学纳米天线设计方法， 其特 征在于， 包括： 构建光学纳米天线的二维模型； 基于所述二维模型， 采用拓扑优化方法对所述光学纳米天线进行逆向设计， 将定义于 所述二维模型中光学纳米天线设计区域内的节点设计变量进 行滤波和投影处理， 得到所述 光学纳米天线设计区域内的材质密度分布， 根据所述材质密度分布得到光学纳米天线的几 何结构； 基于所述光学纳米天线的几何结构， 采用基于梯度信 息的迭代方法求解所述光学纳米 天线的拓扑优化问题， 并采用移动渐近线法演化所述节点设计变量， 生成所述光学纳米天 线的最优拓扑 结构。 2.根据权利要求1所述的光学纳米天线设计方法， 其特征在于， 所述构建光学纳米天线 的二维模型包括： 所述二维模型包括自由空间 区域Ωf、 构成金属 ‑介质‑金属波导区域的两层金属子区域 Ωm、 两层金属区域之间的自由空 间区域Ωi、 以及在金属 ‑介质‑金属波导左侧端面的光 学纳 米天线设计区域Ωd五个区域， 所述五个区域Ω的周围被完全匹配层Ωp包裹。 3.根据权利要求2所述的光学纳米天线设计方法， 其特征在于， 所述二维模型中， 光波 的时谐因子为ejωt， 其中 为虚数单位， ω为角频率， t为时间； 二维模型中的激励波 为波矢与x轴正向夹角为θ 且z方向偏振的横磁波， 对应的磁场分布由亥姆霍兹方程描述： 上式中， 是笛卡尔坐标系内的梯度算子； Hz＝Hsz+Hiz是总磁场， Hsz是散射波， Hiz是激励 波； ∈r是相对介电常数； 是自由空间波数； ∈0和 μ0分别是自由空间的介电 常数和磁导 率； 所述完美匹配层内的光场采用复值 坐标变换 下的波动方程描述： 上式中， x ′是原笛卡尔坐标x作 复值变换得到的复值坐标； 是完美匹配层内变换坐 标下的梯度算子； ΩP是完美匹配层。 4.根据权利要求1至3任一项所述的光学纳米天线设计方法， 其特征在于， 所述采用拓 扑优化方法对所述 光学纳米天线 进行逆向设计包括： 所述逆向设计的目标函数是设定入射角或波长范围内极大化所述金属 ‑介质‑金属波 导中的传播能量密度， 等 价于极大化如下的归一 化平均能流密度： 上式中， Li为金属‑介质‑金属波导的长度， Sa为平均坡印亭矢量 其中Re 和*分别为取实部和共 轭算符； i 为x轴方向 向量； Φ0为归一化因子； 在拓扑优化中， 通过材质插值实现设计区域内节点设计变量与不同材料物性之间的关 联对应， 所述材质插值格式为：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115438560 A 2上式中， γp＝0和γp＝1分别对应于金属 和自由空间的相对介电常数。 5.根据权利要求4所述的光学纳米天线设计方法， 其特征在于， 所述将定义于所述二维 模型中光学纳米天线设计区域内的节点设计变量进行滤波和投影处理， 得到所述光学纳米 天线设计区域内的材质密度分布具体为： 通过如下的偏微分方程滤波实现节点设计 变量的滤波操作： 上式中， r为滤波半径； γf为滤波后的节点设计 变量， 称为滤波设计 变量； 基于所述滤波设计 变量， 通过平均化和投影操作得到分片材质密度： 上式中， ξ∈[0,1]和β 分别是投影操作参数； 在所述节点设计变量的迭代演化过程中， 所述分片材质密度逐渐 收敛于一个0 ‑1的二值分布， 所述二值分布代表所述设计区域内的 材质密度分布。 6.根据权利要求5所述的光学纳米天线设计方法， 其特征在于， 所述采用基于梯度信 息 的迭代方法求解所述光学纳米天线的拓扑优化问题， 并采用移动渐近线法演化所述节点设 计变量包括： 采用偏微分方程约束优化问题的伴随分析方法得到光学纳米天线设计目标的伴随敏 度为： 上式中， δγ是设计变 量γ的一阶变分； 是滤波设计变 量γf的伴随变量； 是所 述设计区域Ωd上的二阶实函数勒贝格空间； 通过顺序求解以下的伴随方程获得伴随敏度 中滤波设计 变量的伴随变量： 求 且在ΓD上 的Hsz， 满足权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115438560 A 3