CST+FDTD超表面逆向设计及前沿应用

超表面逆向设计作为当前光学和光电子领域的前沿技术，正受到全球科研人员和工程师的广泛关注。超表面逆向设计不仅能够实现传统光学元件的功能，还能够探索全新的光学现象和应用，如超紧凑的光学系统、高效率的光学滤波器、以及能够动态调控光场的超表面器件。耦合模理论（CoupledMode Theory, CMT）在超表面设计中的应用非常广泛，它主要用于分析和设计超表面的电磁行为，尤其是在处理光波与超表面相互作用时的模式耦合现象。据调查，目前在 Nature 和 Science 杂志上发表的超表面逆向设计方面的论文主要集中以下几个方面：

1. 新型光学功能的实现：研究如何通过逆向设计实现具有新颖光学功能（如负折射、光学隐身、超分辨率成像等）的超表面。

2. 高效率能量转换：探索超表面在太阳能电池、光电探测器等能量转换设备中的应用，以提高能量转换效率。

3. 动态可调谐超表面：开发能够动态调整其光学特性的超表面，例如通过电场、温度或光场控制。

4. 多波长和多角度操作：设计能够在不同波长和不同入射角度下保持高性能的超表面，这对于成像和显示技术尤为重要。

5. 量子光学和光子学：利用超表面操控量子态，探索在量子通信量子计算和量子信息处理中的应用。

6. 拓扑光学和新型光子晶体：探索基于超表面的拓扑光学结构，以及新型光子晶体的设计和应用。

具体安排内容

1.超表面概述

1.1.超表面基础和应用

1.2.超表面逆向设计概述

2.基于 CST 电磁仿真软件基础

2.1.CST Microwave Studio 电磁仿真软件介绍

2.2.CST 电磁仿真软件使用和基本操作

3.具体案例操作 1：双频段带通滤波器的建模与仿真分析

3.1.运行新建工程

3.2.建立仿真模型

3.3.设置运行条件

3.4.查看并处理仿真结果

4.具体案例操作 2：太赫兹吸波器的建模与仿真分析

4.1.运行新建工程

4.2.建立仿真模型

4.3.设置运行条件

4.4.查看并处理仿真结果

5.超表面的耦合模理论

5.1 耦合模理论简介

5.2 超表面耦合模理论基本物理参数

5.3 超表面耦合模方程和透射谱等参数计算

6.基于超表面实现电磁感应透明（EIT）

6.1 超表面电磁感应透明理论分析

6.2 太赫兹超表面电磁感应透明仿真模拟和分析

案例分析 1：基于超表面实现电磁感应透明（EIT）论文复现和讲解

公众号：科研实践课堂

7.基于超表面实现连续谱中束缚态（BIC）

7.1 连续谱中束缚态理论分析

7.2 连续谱中束缚态仿真模拟和分析

案例分析 2：基于超表面实现连续谱中束缚态（BIC）论文复现和讲解

公众号：科研实践课堂

8.基于耦合模理论的超表面逆向设计

8.1 基于耦合模理论逆向设计连续谱中束缚态吸波器

8.1.1 理论基础和分析

8.1.2 仿真模拟和分析

案列分析3：基于耦合模理论逆向设计连续谱中束缚态吸波器论文复现和分析

公众号：科研实践课堂

8.2 基于耦合模理论逆向设计连续谱中束缚态高Q器件

第三部分

8.2.1 理论基础和分析

8.2.2 仿真模拟和分析

案例分析4：基于耦合模理论逆向设计连续谱中束缚态高Q器件论文复现和分析

公众号：科研实践课堂

9.太赫兹超表面透射谱实验理论讲解

9.1 太赫兹波发射源

9.2 太赫兹远场时域系统第四部分

10.FDTD 超表面正向设计基础入门

10.1 Lumopt 基本介绍

10.2 超表面子单元扫描

10.3 超构透镜设计与性能测试

11.FDTD 超表面逆向设计基础入门

公众号：科研实践课堂

焦平面

子午面

11.1 FDTD 与 Python 环境配置

11.2 伴随法与拓扑优化介绍

11.3 梯度下降算法以及遗传算法介绍

12.FDTD 仿真实例

（一）利用 Python 调用 Lumerical FDTD

（二）在 Python 中编写 FDTD 仿真文件

（三）逆向设计仿真文件设置

（四）基于拓扑优化的超表面颜色路由器件详解

（五）利用等值线法导出逆向设计 GDS 文件

公众号：科研实践课堂

13.模拟论文复现

（一）基于拓扑优化的超表面偏振分束器设计

----（根据发表在 NANO LETTERS 上的论文）

公众号：科研实践课堂

（二）基于拓扑优化的消色差偏转器设计

----(根据发表在 NANO LETTERS 上的论文)

（三）超表面偏振转换器件设计

----（根据发表在 Chinese optics letters 上的论文）

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（四）基于形状优化的梯度超表面光束偏转器设计

----（根据发表在 Light&Science Application 上的论文）

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（五）基于遗传算法的二维梯度超表面设计

----（根据发表在 Opto-Electronic Science 上的论文）

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最新时间：2025.6.28

审核编辑 黄宇