光子学与电磁学领域正经历着由“数值模拟”向“智能设计” 的范式跃迁。传统依赖于经验与参数扫描的光学设计方法在面对超表面等多自由度、高性能指标的复杂逆设计问题时已显得效率低下且难以触及全局最优解。将 FDTD 电磁仿真与 Python 智能优化算法融合正成为突破传统瓶颈、实现器件性能提升的核心驱动力重塑着从基础研究到工程应用的光学设计全链条。在国际前沿领域超表面的研究已从“功能实现”进入“性能设计智能化” 的新阶段。拓扑优化、遗传算法、深度学习等逆向设计方法正在替代传统的手动试错赋能科研人员探索远超人类直觉的复杂电磁结构催生出一系列具有突破性性能的超构透镜、全息、成像器件并多次发表于《Nature》、《Science》等顶级期刊。掌握 FDTD 与 Python 的联合仿真与自动化优化能力已成为在下一代光子器件国际竞争中保持领先优势的关键技能。国家战略层面我国在人工智能、光计算、量子信息、高端光学仪器等领域的宏伟蓝图对兼具“深厚物理背景”与“先进算法实践能力” 的复合型顶尖人才提出了迫切需求。《“十四五”国家战略性新兴产业发展规划》中明确将“人工智能”与“新材料”包括信息功能材料作为重点发展方向推动智能算法在工业设计与科学发现中的应用。能够利用计算智能赋能光电设计正是服务于国家在相关高科技领域实现自主创新与跨越发展的具体体现。适合超表面、纳米光子器件、微纳光学等领域相关专业的硕博研究生及科研人员从事 AR/VR 光学引擎、超构透镜、成像系统、光学传感、光通信器件等产品的研发工程师与设计师等FDTD 与 与 Python 联合仿真的超表面智能设计技术与应用第 一 部分超表面概述与 FDTD 软件入门1.1.超表面基础和应用及 FDTD 操作简介1.1.1. 软件界面与基本操作1.1.2. 仿真区域、边界条件与网格划分1.1.3. 光源与监视器的设置1.2.超表面相位调控基础理论与实践操作1.2.1. 超表面相位调控手段几何相位、传播相位、谐振相位1.2.2. 单纳米结构单元的相位调控实践操作1.3.超表面子单元库构建子单元扫描相位、透射率与截面尺寸关系1.4.MATLAB 超表面相位分布设计1.4.1. FDTD 与 MATLAB 配置1.4.2. 超构透镜子单元库数据导出1.4.3. 超构透镜相位分布设计实践① 利用 MATLAB 编写聚焦相位脚本② 导入子单元库、计算每个位置相位与库中相位误差③ 选取误差最小子单元④ 输出超构透镜子单元参数1.5.超表面仿真设计与性能测试1.5.1. 完整超表面结构建模1.5.2. 远场/近场性能仿真分析1.5.3. 性能评估指标聚焦效率、成像质量等第二部分2. 多功能超表面器件实战设计 实战一偏振成像超构透镜设计 实战二消色差超构透镜设计 实战三全息超表面设计 实战四超表面图像微分器件设计第三部分3. FDTD 超表面逆向设计入门介绍3.1.FDTD 与 Python 联合设计Lumapi 与 Lumopt 介绍、Lumopt 下载3.2.FDTD 与 Python 环境配置3.3.逆向设计方法一梯度下降算法及遗传算法介绍3.4.逆向设计方法二伴随法与拓扑优化介绍3.5.逆向设计方法三深度学习与神经网络介绍第四部分4. FDTD 联合 Python 逆向设计案例实践4.1.利用 Python 调用 Lumerical FDTD4.2.在 Python 中编写 FDTD 仿真文件扫描超表面子单元库4.3.逆向设计仿真文件基本介绍4.4.基于拓扑优化的超表面颜色路由器件详解4.5.利用等值线法导出逆向设计 GDS 文件第五部分5. 超表面逆向设计论文案例复现5.1.基于拓扑优化的超表面偏振分束器–根据发表在 NANO LETTERS 上的论文5.2.基于拓扑优化的消色差偏转器----(根据发表在 NANO LETTERS 上的论文)5.3.超表面偏振光转换器设计----根据发表在 Chinese optics letters 上的论文5.4.基于形状优化的光束偏转器–根据发表在 LightScience Application 上的论文5.5.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5.6.基于神经网络的超表面子单元光谱预测----(根据发表在 NANO LETTERS 上的论文)