Polarizers have always been an important optical component for optical engineering and have played an indispensable part of polarization imaging systems. Metasurface polarizers provide an excellent platform to achieve miniaturization, high resolution, and low cost of polarization imaging systems. Here, we proposed freeform metasurface polarizers derived by adjoint-based inverse design of a full-Jones matrix with gradient-descent optimization. We designed multiple freeform polarizers with different filtered states of polarization (SOPs), including circular polarizers, elliptical polarizers, and linear polarizers that could cover the full Poincaré sphere. Note that near-unitary polarization dichroism and the ultrahigh polarization extinction ratio (ER) reaching 50 dB were achieved for optimized circular polarizers. The multiple freeform polarizers with filtered polarization state locating at four vertices of an inscribed regular tetrahedron of the Poincaré sphere are designed to form a full-Stokes parameters micropolarizer array. Our work provides a novel approach, we believe, for the design of meta-polarizers that may have potential applications in polarization imaging, polarization detection, and communication.

本文提出了一种基于空间填充曲线的超构表面结构，利用理论分析、数值仿真的方法研究了该超构表面的近场电磁特性，实现了高度局域及高品质因子(Q-factor)的多阶人工局域表面等离激元共振(spoof plasmon resonances)。我们发现采用不同结构形状和尺寸的空间填充曲线均可产生共振频率规则分布的多阶谐振模式，通过调整结构的等效波导长度，可同时获得高的谐振波长/结构尺寸压缩比与高品质因子。空间填充曲线所支持的人工局域表面等离激元由磁偶极子与电偶极子模式交替支持；其余参数不变的情况下改变空间填充曲线的分布形式，结构所支持的表面等离激元的谐振特性不受形状曲折的影响，而只与等效波导总长度有关。此外，近场模式的强度分布随着空气波导的走向而改变，可根据实际需求对结构进行特定排布。本文的研究结果对设计基于空间填充曲线的小型化高品质因子电磁谐振器件具有重要的指导意义。

将深度学习模型应用于超构光栅分束器的逆向设计，可以在全局范围内获得具有良好均匀性和高衍射效率的结构。利用基于全局拓扑优化的深度学习模型，围绕超构光栅分束器的结构设计和衍射效率及均匀性等光学性能展开了一系列的研究。在波长为900 nm的入射光下，基于全局拓扑优化深度学习模型设计出大角度高衍射效率超构光栅分束器，设计的分束角为120°与150°时衍射效率分别达到95%与85%。

超表面是一种厚度在亚波长或波长量级的人工层状材料。可通过调控超表面单元结构上的大小、形状、转角、位移量等自由度，实现对电磁波频率、振幅、相位、偏振等特性的灵活有效调控。超表面具有超薄、宽带、低损耗、易加工、灵活设计，功能强大等特点。文中综述了具有单维度、双维度、多维度光场调控功能的超表面及其在外部激励作用下具有主动可调特性超表面的发展历程，并特别介绍了这些超表面用于信息加密防伪领域的实现方式与优势特点。相比于传统的信息加密防伪技术，超表面信息加密防伪术具有亚波长像素，精密控制，安全系数高等特点，展现了全新视角，拥有广阔的发展前景。