Metasurfaces have enabled precise electromagnetic (EM) wave manipulation with strong potential to obtain unprecedented functionalities and multifunctional behavior in flat optical devices. These advantages in precision and functionality come at the cost of tremendous difficulty in finding individual meta‐atom structures based on specific requirements (commonly formulated in terms of EM responses), which makes the design of multifunctional metasurfaces a key challenge in this field. In this paper, a generative adversarial network that can tackle this problem and generate meta‐atom/metasurface designs to meet multifunctional design goals is presented. Unlike conventional trial‐and‐error or iterative optimization design methods, this new methodology produces on‐demand free‐form structures involving only a single design iteration. More importantly, the network structure and the robust training process are independent of the complexity of design objectives, making this approach ideal for multifunctional device design. Additionally, the ability of the network to generate distinct classes of structures with similar EM responses but different physical features can provide added latitude to accommodate other considerations such as fabrication constraints and tolerances. The network's ability to produce a variety of multifunctional metasurface designs is demonstrated by presenting a bifocal metalens, a polarization‐multiplexed beam deflector, a polarization‐multiplexed metalens, and a polarization‐independent metalens.

中文翻译：

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带有生成对抗网络的多功能超表面设计

超表面使得具有强大潜力的精确电磁（EM）波操纵成为可能，从而在平面光学设备中获得了前所未有的功能和多功能性能。这些在精度和功能上的优势是以要根据特定要求（通常根据EM响应制定）来找到单个亚原子结构的巨大困难为代价的，这使得多功能超表面的设计成为该领域的关键挑战。在本文中，提出了一种生成对抗网络，该网络可以解决此问题并生成满足多个设计目标的元/原子/表面设计。与传统的反复试验或迭代式优化设计方法不同，此新方法可生成仅涉及单个设计迭代的按需自由格式结构。更重要的是，网络结构和强大的培训过程与设计目标的复杂性无关，这使该方法成为多功能设备设计的理想选择。此外，网络生成具有相似EM响应但物理特性不同的不同类别结构的能力可以提供更大的自由度，以适应其他考虑因素，例如制造约束和公差。通过展示一个双焦点金属元，一个偏振多路光束偏转器，一个偏振多路金属元和一个与偏振无关的金属元，证明了网络产生多种多功能超表面设计的能力。此外，网络生成具有相似EM响应但物理特性不同的不同类别结构的能力可以提供更大的自由度，以适应其他考虑因素，例如制造约束和公差。通过展示一个双焦点金属元，一个偏振多路光束偏转器，一个偏振多路金属元和一个与偏振无关的金属元，证明了网络产生多种多功能超表面设计的能力。此外，网络生成具有相似EM响应但物理特性不同的不同类别结构的能力可以提供更大的自由度，以适应其他考虑因素，例如制造约束和公差。通过展示一个双焦点金属元，一个偏振多路光束偏转器，一个偏振多路金属元和一个与偏振无关的金属元，证明了网络产生多种多功能超表面设计的能力。