引用本文：
黄子扬，张振荣，孙宇，等. 基于贝叶斯优化算法的超表面结构色逆向设计方法[J]. 光通信技术，2025，49（3）：97-101.
黄子扬1，2，张振荣1，2，孙 宇1，2，黄 洋3，谢 锋3*
（1.广西大学 计算机与电子信息学院，南宁 530004； 2.广西多媒体通信与网络技术重点实验室，南宁 530004；3.南宁职业技术大学 人工智能学院，南宁 530008）
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要：针对传统结构色正向设计存在的优化参数较少、计算耗时长以及静态结构色不可调等问题，提出一种基于贝叶斯优化算法的超表面结构色逆向设计方法。通过引入可调谐的相变材料设计纳米天线，结合贝叶斯优化算法和时域有限差分法，对超表面结构色参数进行仿真优化。利用结构内部的Mie谐振在反射模式下产生结构颜色，同时通过相变材料的不同相态转变，实现可逆的颜色调谐。仿真结果表明：所设计的结构色器件具备超表面的颜色动态可调谐功能，在波长分别为450、545、660 nm时获得的色差分别为63.30、69.30、54.21，并具有角度敏感的特性。
关键词：结构色；相变材料；贝叶斯优化算法；超表面结构
中图分类号：TN256 文献标志码：A 文章编号：1002-5561（2025）03-0097-05
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2025.03.016
研究背景与意义：
针对传统结构色正向设计存在的优化参数少、计算耗时长、静态结构色不可调等问题，提出逆向设计方法。
结构色具有耐久性、环境友好性和高分辨率等优势，与CMOS技术兼容，广泛应用于光电器件。
通过相变材料（PCM）实现可调颜色设计，尤其是Sb₂S₃材料因其低传播损耗和优异光学性能受到关注。
研究方法与创新：
提出基于贝叶斯优化算法的结构色逆向设计方法，结合时域有限差分法（FDTD）对超表面结构参数进行仿真优化。
利用Mie谐振在反射模式下产生结构颜色，通过相变材料的不同相态转变实现可逆的颜色调谐。
贝叶斯优化算法通过构建代理模型，以较少的计算代价预测目标函数值，降低对数值模拟的依赖，提高设计效率。
基本结构设计与理论：
设计了一种基于Sb2S3纳米天线的全介质超表面结构，包括Ag衬底、SiO₂层和Sb₂S₃介质纳米天线。
结构色产生与调控机理基于Mie共振诱导的光谱调控特性和Sb2S3的相变特性。
贝叶斯优化算法通过全局搜索求解目标函数的最优值，优化结构参数。
仿真结果及分析：
仿真分析采用Lumerical FDTD Solutions软件，通过宽带平面波光源进行仿真计算。
贝叶斯优化算法在目标波长分别为450、545、660 nm时，有效探索了参数空间，得到了最优结构参数。
与遗传算法和深度学习算法相比，贝叶斯优化算法在结构颜色设计速度方面具有显著优越性。
优化后的结构色器件具备动态可调谐功能，色差显著，颜色纯度更高。
性能分析与角度敏感性：
仿真结果表明，优化后的超表面结构在结晶态和非晶态之间转换时展现出显著的光学性质变化。
器件对光源入射角度敏感，结晶态颜色坐标变化幅度显著大于非晶态，具有入射角依赖的动态调谐特性。
结论与展望：
本文提出的基于贝叶斯优化算法的逆向设计方法，成功应用在基于Sb₂S₃纳米天线的全介质超表面结构设计上。
该方法收敛速度快，全局搜索效率高，为微纳光学器件的逆向设计提供了新思路。
未来可进一步探索该方法在广视角显示领域和防伪加密等方向的应用潜力。