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Deep learning enabled strategies for modelling of complex aperiodic plasmonic metasurfaces of arbitrary size

Authors :
Clément Majorel
Christian Girard
Arnaud Arbouet
Otto L. Muskens
Peter R. Wiecha
Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES)
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599)
Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
University of Southampton
Équipe Matériaux et Procédés pour la Nanoélectronique (LAAS-MPN)
Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS)
Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)
Source :
ACS photonics, ACS photonics, 2022, 9 (2), pp.575-585. ⟨10.1021/acsphotonics.1c01556⟩
Publication Year :
2021
Publisher :
arXiv, 2021.

Abstract

Optical interactions have an important impact on the optical response of nanostructures in complex environments. Accounting for interactions in large ensembles of structures requires computationally demanding numerical calculations. In particular if no periodicity can be exploited, full field simulations can become prohibitively expensive. Here we propose a method for the numerical description of aperiodic assemblies of plasmonic nanostructures. Our approach is based on dressed polarizabilities, which are conventionally very expensive to calculate, a problem which we alleviate using a deep convolutional neural network as surrogate model. We demonstrate that the method offers high accuracy with errors in the order of a percent. In cases where the interactions are predominantly short-range, e.g. for out-of-plane illumination of planar metasurfaces, it can be used to describe aperiodic metasurfaces of basically unlimited size, containing many thousands of unordered plasmonic nanostructures. We furthermore show that the model is capable to spectrally resolve coupling effects. The approach is therefore of highest interest for the field of metasurfaces. It provides significant advantages in applications like homogenization of large aperiodic planar metastructures or the design of sophisticated wavefronts at the micrometer scale, where optical interactions play a crucial role.<br />Comment: 13 pages, 8 figures + supporting informations pdf

Details

ISSN :
23304022
Database :
OpenAIRE
Journal :
ACS photonics, ACS photonics, 2022, 9 (2), pp.575-585. ⟨10.1021/acsphotonics.1c01556⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....1701b903498101c053e53c8ca6ac4fa4
Full Text :
https://doi.org/10.48550/arxiv.2110.02109