Ansys Lumerical | 超透鏡設(shè)計案例分享第二部分：OpticStudio 中的整體透鏡設(shè)計
說明
本案例的目的是設(shè)計一個由圓柱形納米棒組成的衍射超透鏡，人為調(diào)整納米棒的半徑和排列可以在超透鏡表面上產(chǎn)生所需的相位分布。該設(shè)計的近場和遠場分析在Ansys FDTD、RCWA（嚴(yán)格耦合波分析）和 OpticStudio中得到驗證。
注意：在 Zemax 中進行進一步分析需要 OpticStudio 12 以上版本。
概述
了解模擬工作流程和關(guān)鍵結(jié)果
超透鏡由精心排列的具有亞波長結(jié)構(gòu)的“單位晶格”或“元原子”組成。通過調(diào)整這些單位晶格元件的幾何形狀，人們可以修改元件對于平面波的相位響應(yīng)情況。借助幾何參數(shù)方面的相位知識，可以通過將元原子放置在必要的位置來創(chuàng)建具有任意相位分布的超透鏡。
第1步：定義目標(biāo)相位分布
第一步是定義超透鏡的目標(biāo)相位分布。對于最常見的透鏡類型，例如球面或柱面元件，我們可以使用已知的解析解獲取相位分布。然而，對于更復(fù)雜的系統(tǒng)，解析解將不存在或難以計算，我們可以使用光線追跡和優(yōu)化功能在OpticStudio中設(shè)計理想的相位掩模。
第2步：單位單元仿真-高度和半徑掃描
在這一步中，我們掃描納米棒的高度和半徑，并獲得其透射、相位和近場信息，從而選擇出對應(yīng)所需傳輸和相位特性的納米棒高度情況，然后保存相位與光場相對于半徑的結(jié)果以供后續(xù)步驟使用。RCWA求解算法將作為單元原子模擬的推薦/補充工具引入，并與FDTD進行比較以進行驗證。
第3步：整體透鏡設(shè)計
一旦從第2步構(gòu)建了相位/光場相對于半徑的庫，就有兩種方法可用于設(shè)計和分析超透鏡整體：
直接仿真：根據(jù)上一步的目標(biāo)相位分布以及其相對于半徑的數(shù)據(jù)情況，在FDTD中構(gòu)建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接，但它可能會在內(nèi)存和仿真時間方面帶來挑戰(zhàn)，尤其是對于較大的超透鏡而言。仿真得到的近場光束可用于遠場分析并導(dǎo)出為.ZBF 文件，以便在Ansys OpticStudio中進一步傳播。
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全場重建：全超透鏡的近場/遠場可以使用步驟2中的近場庫通過腳本進行重建。此方法避免了全透鏡建模的耗時模擬，因此比直接模擬方法效率更高。這些方法的詳細描述將在“運行和結(jié)果”部分的相應(yīng)步驟中提供。
我們將使用一個小半徑的球面超透鏡來驗證“間接”方法的準(zhǔn)確性。然后，該方法將應(yīng)用于OpticStudio中優(yōu)化目標(biāo)相位的更大的超透鏡。
第4步：在OpticStudio中傳播導(dǎo)入的光束
一旦超透鏡的近場信息從上一步導(dǎo)出成為 .ZBF文件，我們就可以使用OpticStudio中的物理光學(xué)傳播 (POP) 工具將光束傳播到系統(tǒng)中的任意位置，包括任何光學(xué)元件體中。使用 POP，可以分析每個表面的相位和輻照度分布，并且評估系統(tǒng)性能。如有必要可以根據(jù)傳播結(jié)果，在OpticStudio中重新優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置。最后，可以在OpticStudio中將實際光束與通過目標(biāo)相位掩模傳播的理想光束進行比較，以驗證超透鏡模型。
第5步：GDS 導(dǎo)出
一旦完成整個鏡頭的物理形狀和元原子位置的設(shè)計，通常會將其分布形式導(dǎo)出為GDS格式進行加工制造。但是，由于涉及的元素較多，GDS導(dǎo)出通常需要較長時間。在這一步中，我們展示了一種使用polystencil命令的快速且通用GDS導(dǎo)出方法，該方法可以很好地處理由大量元原子組成的大型超透鏡。
Polystencil: https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/4401965734291
運行和結(jié)果
建模執(zhí)行的說明和關(guān)鍵結(jié)果的討論
在先前的第一部分文章中，我們主要討論了如何在 Lumerical 中定義目標(biāo)相位的分布，并將該解析解用于 OpticStudio 中設(shè)計理想的相位掩膜，并且后續(xù)可以使用 FDTD 或者 RCWA 算法對其進行掃描仿真。那么接下來我們主要想要介紹如何在 OpticStudio 中進行實際透鏡的建模，并且結(jié)合先前步驟得到的結(jié)果整體進行模擬。
第3步：整體鏡頭設(shè)計
使用步驟1中的目標(biāo)相位分布和步驟2中的半徑/光場vs.相位數(shù)據(jù)庫，我們現(xiàn)在準(zhǔn)備好設(shè)計完整的超透鏡。
超透鏡的相位-半徑映射
無論目標(biāo)相位分布可能是什么，完整透鏡設(shè)計都涉及將空間相位分布轉(zhuǎn)換為空間（納米棒）半徑分布。下面顯示了一個球形相位分布的示例，但該原理適用于任意相位分布。
直接模擬（小半徑球面透鏡）
一旦知道了半徑分布，我們就可以創(chuàng)建整個鏡頭并在FDTD中運行模擬。這可能是最直接的方法，但不是最有效的方法，尤其是對于具有大半徑（> 100 um）的超透鏡。與任何大型仿真一樣，它可能需要非常大的內(nèi)存和較長的仿真時間。此外，大量的元原子會延長它們在FDTD中的構(gòu)建和GUI中的可視化的時間。
打開并運行模擬文件full_lens.fsp。
從“光場”監(jiān)視器可視化Ex的振幅和角度。
“超透鏡”結(jié)構(gòu)組從步驟2加載相位vs.半徑數(shù)據(jù)，進行相位-半徑映射，并將納米棒放置在具有正確半徑的所需位置。
假設(shè)模擬平面波入射，由PEC（完美電導(dǎo)體）制成的圓形孔徑放置在光源和超透鏡之間，以限制入射區(qū)域。“光場”監(jiān)視器的近場結(jié)果如下所示：
入射光大部分被PEC（完美電導(dǎo)體）孔徑阻擋。但其中一些會被孔徑邊緣衍射，這可以看作是振幅與相位圖中的小波紋。與具有完美旋轉(zhuǎn)對稱性的理想雙曲線透鏡不同，由于透鏡在直線網(wǎng)格上具有納米棒陣列定義的離散化情況，因此模擬結(jié)果并未顯示出這種對稱效應(yīng)。
運行腳本文件fdtd_full_lens_plot_field.lsf的“第1部分”，沿x軸繪制相位（上述相位圖中的虛線）。
測量的相位總體上與目標(biāo)相位非常吻合。
可以使用動態(tài)監(jiān)視器或時間監(jiān)視器來可視化通過超透鏡光場的演變情況。由于動態(tài)監(jiān)視器將顯著增加模擬時間，因此最好使用2D時間監(jiān)視器并及時獲取光場快照。該光場的gif動畫如下所示：
傳播場的波前清楚地顯示向內(nèi)彎曲，表明光的聚焦，正如具有球面相位掩膜的透鏡所預(yù)期的那樣。
運行腳本文件fdtd_full_lens_plot_field.lsf的“第2部分”。
沿傳播軸(Z)的遠場投影表明，超透鏡的焦距約為81.4 um，焦平面處光束的FWHM（半高全寬）約為2.4 um。計算出的焦距與100 um的目標(biāo)值有些偏離。這主要歸因于透鏡尺寸小，因此用于映射透鏡半徑上的2*pi變化的納米棒數(shù)量較少。增加鏡頭尺寸可能有助于改善結(jié)果以及優(yōu)化其他參數(shù)，例如周期。
光場重建（小半徑球面透鏡）
作為耗時的整體鏡頭直接模擬的替代方案，可以使用步驟2中的近場數(shù)據(jù)庫重新構(gòu)建整個鏡頭的近場和遠場情況。我們將再次使用半徑相對較小的球面透鏡(11 um)并將結(jié)果與直接模擬的結(jié)果進行比較，以驗證該方法。
近場拼接和遠場投影
在這種方法中，整個透鏡的近場是通過拼接來自元原子模擬的近場結(jié)果來構(gòu)建的，該近場對應(yīng)于目標(biāo)相位分布的每個網(wǎng)格點處的相位。由于所考慮的透鏡的半徑為11 um，因此只有11 um半徑內(nèi)的區(qū)域被匹配的場填充，外部場將直接設(shè)置為零。
1、運行腳本stitch_nearfield_11um_lens.lsf的“第1部分”。
2、在Visualizer中可視化“Ex”分量的振幅和角度。
拼接近場的振幅看起來與直接FDTD模擬的振幅大不相同。這可以歸因于兩種方法中使用的設(shè)置略有不同：
在FDTD中使用PEC孔徑
在重建方法中假設(shè)局部周期性，而在FDTD中納米棒的半徑可以相比于相鄰其他單元存在突然變化。
也就是說，兩個幅度都在同一個球型場內(nèi)，并且整體相位結(jié)果顯示出良好的匹配。
3、運行腳本的stitch_nearfield_11um_lens.lsf“第2部分”，繪制遠場結(jié)果。
總體而言，拼接近場所產(chǎn)生的遠場結(jié)果與直接模擬結(jié)果在焦距、光斑大小和強度方面非常匹配。
對元原子的遠場結(jié)果求和
這相當(dāng)于近場拼接方法，但順序相反。在這里，我們首先從步驟2中構(gòu)建的近場數(shù)據(jù)庫來構(gòu)建遠場庫。然后，我們通過考慮其從原點的位置偏移產(chǎn)生的相移來總結(jié)每個納米棒的遠場結(jié)果的貢獻。該方法可以用數(shù)學(xué)形式描述如下：
1、運行腳本sum_farfield_11um_lens.lsf
直接模擬和重建求和方式所獲取的遠場結(jié)果（在1 m半徑的半球內(nèi)）看起來十分匹配和吻合。
光場重建（使用OpticStudio中優(yōu)化后得到具有一定相位分布的鏡頭，半徑=100 um）
既然我們已經(jīng)通過將其結(jié)果與直接模擬的結(jié)果進行比較，驗證了“光場重建”方法在小透鏡上的有效性，我們現(xiàn)在可以將其擴展到更大的超透鏡設(shè)計中——其2D相位分布在OpticStudio中進行了優(yōu)化（步驟1）。我們將在這里使用近場拼接方法。
1、運行腳本stitch_nearfield_ZOS_R100um.lsf。
下圖顯示了拼接近場的相位，類似于步驟1中獲得的理想相位分布。腳本將重建的近場導(dǎo)出到.ZBF文件中，以便在下一步中在OpticStudio中進一步傳播和驗證。
在先前兩個部分的內(nèi)容中，我們主要討論具體步驟的前三個部分：在OpticStudio內(nèi)定義目標(biāo)相位分布以及如何進行元原子仿真(基于FDTD或RCWA算法的高度和半徑掃描)，以及 OpticStudio 中的整體透鏡設(shè)計。如果想要基于Lumerical以及OpticStudio完成全面的超透鏡設(shè)計，我們還需要針對上述成過進行更多的整合和整體仿真，例如在OpticStudio中傳播對應(yīng)仿真光束并進行GDS導(dǎo)出等。后續(xù)內(nèi)容我們將在未來推送的文章中進行介紹，敬請期待！
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