超透鏡的案例
Ansys Lumerical | 超透鏡設(shè)計(jì)第三部分：如何基于Lumerical以及OpticStudio完成全面的超透鏡設(shè)計(jì)
說明
本案例的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)分析在Ansys FDTD、RCWA（嚴(yán)格耦合波分析）和 OpticStudio中得到驗(yàn)證。
注意：在 Zemax 中進(jìn)行進(jìn)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(zhǎng)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(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)，解析解將不存在或難以計(jì)算，我們可以使用光線追跡和優(yōu)化功能在OpticStudio中設(shè)計(jì)理想的相位掩模。
第2步：?jiǎn)挝粏卧抡?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(chǎng)信息，從而選擇出對(duì)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(chǎng)相對(duì)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(bǔ)充工具引入，并與FDTD進(jìn)行比較以進(jìn)行驗(yàn)證。
第3步：整體透鏡設(shè)計(jì)
一旦從第2步構(gòu)建了相位/光場(chǎng)相對(duì)于半徑的庫(kù)，就有兩種方法可用于設(shè)計(jì)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(duì)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(huì)在內(nèi)存和仿真時(shí)間方面帶來挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于較大的超透鏡而言。
展開 Ansys Lumerical | 超透鏡設(shè)計(jì)案例分享第二部分：OpticStudio 中的整體透鏡設(shè)計(jì)
說明
本案例的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)分析在Ansys FDTD、RCWA（嚴(yán)格耦合波分析）和 OpticStudio中得到驗(yàn)證。
注意：在 Zemax 中進(jìn)行進(jìn)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(zhǎng)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(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)，解析解將不存在或難以計(jì)算，我們可以使用光線追跡和優(yōu)化功能在OpticStudio中設(shè)計(jì)理想的相位掩模。
第2步：?jiǎn)挝粏卧抡?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(chǎng)信息，從而選擇出對(duì)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(chǎng)相對(duì)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(bǔ)充工具引入，并與FDTD進(jìn)行比較以進(jìn)行驗(yàn)證。
第3步：整體透鏡設(shè)計(jì)
一旦從第2步構(gòu)建了相位/光場(chǎng)相對(duì)于半徑的庫(kù)，就有兩種方法可用于設(shè)計(jì)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(duì)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(huì)在內(nèi)存和仿真時(shí)間方面帶來挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于較大的超透鏡而言。
展開 VirtualLab：超透鏡與超表面全息
□ 由于納米柱結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，用納米柱結(jié)構(gòu)構(gòu)建的超透鏡對(duì)偏振不敏感。
[VirtualLab] 超透鏡與超表面全息
超透鏡和超表面因其操縱電磁場(chǎng)的獨(dú)特特性而在科學(xué)上聲名鵲起，如今它們的制造已經(jīng)變得可行。但它們的設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)鏡片，因?yàn)楸仨毧紤]到納米級(jí)構(gòu)件的特性。
VirtualLab Fusion的優(yōu)勢(shì)
? 統(tǒng)一的平臺(tái)：具有將納米級(jí)構(gòu)建模塊和大尺寸復(fù)合透鏡/表面作為整體的求解器
? 從Zemax中導(dǎo)入功能型設(shè)計(jì)，或通過公式直接定義
? 內(nèi)置了嚴(yán)格的傅里葉模態(tài)法（FMM），也稱為嚴(yán)格耦合波法（RCWA），包含完全矢量信息
? 應(yīng)用便捷的圖形用戶界面來設(shè)置納米構(gòu)建模塊，比如典型的納米片（Nanofin）和納米柱（Nanopillar）
? 查找表的概念將嚴(yán)格的構(gòu)建模塊分析結(jié)果與大尺寸超透鏡/表面建模相聯(lián)系
超透鏡
? 超透鏡的功能特性可以通過多項(xiàng)式系數(shù)來具體表示，比如從Zemax中導(dǎo)入。
? 仿真可以在不同的層面上進(jìn)行：可以基于理想模型進(jìn)行仿真，也可以直接結(jié)合納米構(gòu)建模塊特性進(jìn)行仿真。
? 靈活地將超透鏡與其他元件一起包含在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中。
超全息圖
? 傳統(tǒng)的相位全息圖通過在透明基底上刻蝕不同的深度來實(shí)現(xiàn)相位輪廓，這通常只適用于近軸情況。
? 這種相位輪廓也可以通過具有空間變化的納米尺度構(gòu)建模塊的超表面來實(shí)現(xiàn)。
? 使用超表面構(gòu)建模塊，可以以一種直接的方式設(shè)計(jì)高數(shù)值孔徑全息圖。
納米片（Nanofin）構(gòu)建模塊
? Nanofin結(jié)構(gòu)的工作原理是基于雙折射原理。它的相位操縱是通過單個(gè)Nanofin的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。
展開 
Lumerical FDTD設(shè)計(jì)超透鏡產(chǎn)生渦旋光束
該文章為片上集成化OAM器件提供了新思路，可推動(dòng)高容量光通信與緊湊量子系統(tǒng)的發(fā)展
1、渦旋超透鏡結(jié)構(gòu)示意圖
設(shè)計(jì)的渦旋超透鏡結(jié)構(gòu)示意圖如下：
超透鏡結(jié)構(gòu)示意圖
該渦旋超透鏡的工作參數(shù)一欄表格：
設(shè)計(jì)參數(shù)：
工作波長(zhǎng)：1um
拓?fù)浜蓴?shù)：1
透鏡焦距：50um
透鏡半徑：10um
入射光：圓偏振光
2、渦旋超透鏡的工作原理：
渦旋超透鏡相位分布由螺旋相位因子與納米結(jié)構(gòu)局域相位調(diào)控共同決定。其總相位，其中為方位角，為超表面單元的動(dòng)態(tài)相位(由TiO?納米柱尺寸調(diào)控)與幾何相位（由納米柱旋轉(zhuǎn)角產(chǎn)生PB相位2，=±1對(duì)應(yīng)左右圓偏振）的疊加。通過優(yōu)化納米柱高度h與占空比調(diào)節(jié)傳播相位差?，結(jié)合旋轉(zhuǎn)角實(shí)0-2相位覆蓋，滿足,從而生成攜帶OAM的渦旋光束。
渦旋超透鏡的相位公式：
從該公式可以知道，所謂的渦旋超透鏡實(shí)質(zhì)是在普通聚焦超透鏡的基礎(chǔ)上加載上渦旋相位即可得到渦旋超透鏡，這點(diǎn)與SLM的工作原理類似，也就是普通光束經(jīng)過SLM調(diào)制后都可以得到相應(yīng)的高階光束。在MATLAB計(jì)算的渦旋出來的渦旋相位分布，滿足0到2相位分布。
展開 超透鏡與超表面全息
超透鏡和超表面因其操縱電磁場(chǎng)的獨(dú)特特性而在科學(xué)上聲名鵲起，如今它們的制造已經(jīng)變得可行。但它們的設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)鏡片，因?yàn)楸仨毧紤]到納米級(jí)構(gòu)件的特性。
VirtualLab Fusion的優(yōu)勢(shì)
? 統(tǒng)一的平臺(tái)：具有將納米級(jí)構(gòu)建模塊和大尺寸復(fù)合透鏡/表面作為整體的求解器
? 從Zemax中導(dǎo)入功能型設(shè)計(jì)，或通過公式直接定義
? 內(nèi)置了嚴(yán)格的傅里葉模態(tài)法（FMM），也稱為嚴(yán)格耦合波法（RCWA），包含完全矢量信息
? 應(yīng)用便捷的圖形用戶界面來設(shè)置納米構(gòu)建模塊，比如典型的納米片（Nanofin）和納米柱（Nanopillar）
? 查找表的概念將嚴(yán)格的構(gòu)建模塊分析結(jié)果與大尺寸超透鏡/表面建模相聯(lián)系
超透鏡
? 超透鏡的功能特性可以通過多項(xiàng)式系數(shù)來具體表示，比如從Zemax中導(dǎo)入。
? 仿真可以在不同的層面上進(jìn)行：可以基于理想模型進(jìn)行仿真，也可以直接結(jié)合納米構(gòu)建模塊特性進(jìn)行仿真。
? 靈活地將超透鏡與其他元件一起包含在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中。
超全息圖
? 傳統(tǒng)的相位全息圖通過在透明基底上刻蝕不同的深度來實(shí)現(xiàn)相位輪廓，這通常只適用于近軸情況。
? 這種相位輪廓也可以通過具有空間變化的納米尺度構(gòu)建模塊的超表面來實(shí)現(xiàn)。
? 使用超表面構(gòu)建模塊，可以以一種直接的方式設(shè)計(jì)高數(shù)值孔徑全息圖。
納米片（Nanofin）構(gòu)建模塊
? Nanofin結(jié)構(gòu)的工作原理是基于雙折射原理。它的相位操縱是通過單個(gè)Nanofin的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。
? 為了實(shí)現(xiàn)其作為半波片的功能，必須仔細(xì)優(yōu)化Nanofin的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
? 由于雙折射特性，以Nanofin為構(gòu)建模塊的超透鏡具有偏振敏感性。
展開 Lumerical 大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
原文發(fā)布于optics.ansys.com
翻譯整理：莎益博 | 董冠佑
01 前言
本文介紹了設(shè)計(jì)和模擬厘米尺度超透鏡的工作流程。
我們將一系列不同直徑的納米尺寸等級(jí)單元(以下稱為納米單元)在Lumerical中建模，使用RCWA方法對(duì)每種直徑的納米單元進(jìn)行分析，建立納米元素直徑以及其誘發(fā)的相位和振幅關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)接下來被導(dǎo)入OpticStudio，以整合到光線追蹤系統(tǒng)中，借由超透鏡把準(zhǔn)直光束聚焦。
02 綜述
超透鏡是由納米單元組成的先進(jìn)光學(xué)結(jié)構(gòu)，透過區(qū)域性調(diào)整單個(gè)單元，可以建立復(fù)雜的光學(xué)功能。然而，大規(guī)模仿真這種結(jié)構(gòu)是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗皇侵芷谛缘模纱罅康募{米單元組成。此外，超透鏡本質(zhì)上是基于波動(dòng)光學(xué)的，但需要將它們整合到光線追蹤系統(tǒng)中。
關(guān)于建立超透鏡的方法的詳細(xì)信息，以及RCWA計(jì)算的驗(yàn)證，可以在文章：Small-scale metalens - Field propagation中找到。該文呈現(xiàn)了較小規(guī)模超透鏡的工作流程，此工作流使用lumerical搭配OpticStudio的物理光學(xué)傳播（POP）工具可以評(píng)估的十分全面，然而從工作流的方法中也呈現(xiàn)出仿真所需的內(nèi)存隨著鏡頭尺寸變大而變大，大到超出目前內(nèi)存能力的程度，會(huì)限制仿真的超表面尺寸。在本文中，介紹了設(shè)計(jì)直徑為20毫米的大型超透鏡的工作流程。在這個(gè)工作流程中，演示了我們可以在納米單元級(jí)別設(shè)計(jì)超表面，并將其組裝到厘米等級(jí),并將超透鏡整合到OpticStudio的光線追蹤系統(tǒng)中。流程最后還提供了將超表面信息提取到GDS檔案中進(jìn)行制造的步驟。
步驟1：定義相位目標(biāo)
第一步是定義超透鏡相位目標(biāo)的空間分布。
展開 新研究：讓超透鏡與MEMS技術(shù)相互融合
超表面（metasurface）是由具有特殊電磁屬性的人工原子按照一定的排列方式組成的二維平面結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的振幅、相位、偏振等靈活的調(diào)控，具有強(qiáng)大的光場(chǎng)操控能力。與超材料相比，超表面不僅了突破了傳統(tǒng)材料電磁屬性，其二維平面結(jié)構(gòu)還克服超材料三維結(jié)構(gòu)加工難度大等問題，為納米光學(xué)器件集成化，小型化提供便利。
超表面可以組成具有透鏡功能的納米結(jié)構(gòu)，因此便有了超透鏡。起初，超透鏡由哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系教授 Federico Capasso 及其在佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科研小組開發(fā)。不同于傳統(tǒng)透鏡，超透鏡最大優(yōu)點(diǎn)就是：輕薄（厚度為納米級(jí)）和小型化。其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)透鏡，并有望徹底顛覆傳統(tǒng)光學(xué)裝置中笨重繁瑣的透鏡組，使得手機(jī)攝像頭、眼鏡、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件都變得非常輕薄。
前不久，筆者剛介紹過美國(guó)哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科研人員開發(fā)的大面積自適應(yīng)超透鏡（metalens），它有望成為未來的“人造眼”。
（圖片來源：Capasso 實(shí)驗(yàn)室 / Harvard SEAS）
超材料和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）兩項(xiàng)技術(shù)看似無關(guān)，但是科研人員在嘗試將它們結(jié)合。例如，美國(guó)杜克大學(xué)科研人員就結(jié)合這兩項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出了首個(gè)具有紅外線發(fā)射特性的超穎材料裝置，它不僅能夠顯示出迅速變化的紅外線圖案，還可用于廢熱利用。此外，這種可重構(gòu)的超穎材料還有望應(yīng)用于動(dòng)態(tài)紅外線光學(xué)隱身斗篷，以及紅外線范圍內(nèi)的負(fù)折射率介質(zhì)。
（圖片來源：參考資料【2】）
創(chuàng)新
近日，美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與哈佛大學(xué)的研究人員進(jìn)行合作，首次將在光通信、生物成像、激光雷達(dá)（LIDAR）系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的兩種技術(shù)：微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和超透鏡結(jié)合到了一起，成功地制造出位于MEMS平臺(tái)頂層之上的超透鏡。
展開 設(shè)計(jì)和分析超透鏡
摘要
透鏡是一種透射光學(xué)裝置，通過改變相位來聚焦或發(fā)散光。與傳統(tǒng)透鏡不同，超透鏡的優(yōu)點(diǎn)是能夠在非常薄的膜層中使用波長(zhǎng)或更小尺寸的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)所需的相位變化，而不需要復(fù)雜和大量的透鏡組。在這個(gè)例子中，我們展示了使用圓柱形介電納米柱的超透鏡的設(shè)計(jì)過程。由于其納米級(jí)結(jié)構(gòu)和高折射率對(duì)比度，電磁場(chǎng)的全矢量建模是必不可少的。對(duì)于初始設(shè)置，使用了E.Bayata的工作中的參數(shù)。
設(shè)計(jì)任務(wù)
仿真與設(shè)置：?jiǎn)纹脚_(tái)互操作性
連接建模技術(shù)：超透鏡
連接建模技術(shù)：自由空間傳播
接建模技術(shù)：探測(cè)器
超透鏡設(shè)計(jì)工作流程
創(chuàng)建理想相位
柱直徑與相位值
圓柱分布設(shè)計(jì)
利用所需的光學(xué)函數(shù)和所選類型的超透鏡單元所提供的相位值，可以設(shè)計(jì)出橫向分布。對(duì)于這一步，使用一個(gè)模塊，它選擇適當(dāng)?shù)膱A柱直徑來產(chǎn)生所需相位的橫向分布。
在圓柱分布設(shè)計(jì)期間，超透鏡的預(yù)期響應(yīng)和與初始期望函數(shù)的偏差也作為輸出傳遞：
設(shè)置超透鏡
此外，圓柱的高度和形狀以及材料需要在柱形幾何圖形選項(xiàng)卡中正確配置：
超透鏡的橫向延伸在“周期”選項(xiàng)卡中配置：
產(chǎn)生的超透鏡結(jié)構(gòu)
模擬工作流程 步驟#1
為了模擬柱形結(jié)構(gòu)的函數(shù)，采用了傅里葉模態(tài)法（FMM，也稱為RCWA）。因此使用了帶有通用光柵組件的光柵專用光路。與在設(shè)計(jì)階段使用的方法相比，結(jié)果相位現(xiàn)在包括了附近不同納米柱之間的相互作用。
模擬工作流程 步驟#2
在第二步中，使用保存函數(shù)組件在一般光路中進(jìn)一步擴(kuò)展真實(shí)結(jié)構(gòu)的計(jì)算函數(shù)。
對(duì)照
圓柱結(jié)構(gòu)導(dǎo)出
為了導(dǎo)出所設(shè)計(jì)的柱形結(jié)構(gòu)，通過一個(gè)模塊支持GDSII和基于文本的導(dǎo)出。
展開 Ansys Lumerical｜大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
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前言
本文介紹了設(shè)計(jì)和模擬厘米尺度超透鏡的工作流程。
我們將一系列不同直徑的納米尺寸等級(jí)單元(以下稱為納米單元)在Lumerical中建模，使用RCWA方法對(duì)每種直徑的納米單元進(jìn)行分析，建立納米元素直徑以及其誘發(fā)的相位和振幅關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)接下來被導(dǎo)入OpticStudio，以整合到光線追蹤系統(tǒng)中，借由超透鏡把準(zhǔn)直光束聚焦。
超透鏡是由納米單元組成的先進(jìn)光學(xué)結(jié)構(gòu)，透過區(qū)域性調(diào)整單個(gè)單元，可以建立復(fù)雜的光學(xué)功能。然而，大規(guī)模仿真這種結(jié)構(gòu)是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗皇侵芷谛缘模纱罅康募{米單元組成。此外，超透鏡本質(zhì)上是基于波動(dòng)光學(xué)的，但需要將它們整合到光線追蹤系統(tǒng)中。
此工作流使用lumerical搭配OpticStudio的物理光學(xué)傳播（POP）工具可以評(píng)估的十分全面，然而從工作流的方法中也呈現(xiàn)出仿真所需的內(nèi)存隨著鏡頭尺寸變大而變大，大到超出目前內(nèi)存能力的程度，會(huì)限制仿真的超表面尺寸。在本文中，介紹了設(shè)計(jì)直徑為20毫米的大型超透鏡的工作流程。在這個(gè)工作流程中，演示了我們可以在納米單元級(jí)別設(shè)計(jì)超表面，并將其組裝到厘米等級(jí),并將超透鏡整合到OpticStudio的光線追蹤系統(tǒng)中。流程最后還提供了將超表面信息提取到GDS檔案中進(jìn)行制造的步驟。
步驟1：定義相位目標(biāo)
第一步是定義超透鏡相位目標(biāo)的空間分布。由于大尺寸的超透鏡需要數(shù)量龐大的納米單元來構(gòu)成，如果空間分布用位置的查表來表達(dá)，內(nèi)存需求會(huì)超出一般CPU的負(fù)荷。在這個(gè)工作流程中，我們使用一個(gè)可解析定義的目標(biāo)相位輪廓，例如球形或圓柱形輪廓。Ansys OpticStudio還可用于優(yōu)化整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中超透鏡所需的波前，以便使用具有離散系數(shù)的函式（例如多項(xiàng)式）來定義目標(biāo)相位。
展開 Lumerical | 超透鏡設(shè)計(jì)：Lumerical 與 Zemax 的互通性第一部分
說明
本案例的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)分析在Ansys FDTD、RCWA（嚴(yán)格耦合波分析）和 OpticStudio中得到驗(yàn)證。
注意：在 Zemax 中進(jìn)行進(jìn)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(zhǎng)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(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)，解析解將不存在或難以計(jì)算，我們可以使用光線追跡和優(yōu)化功能在OpticStudio中設(shè)計(jì)理想的相位掩模。
第2步：?jiǎn)挝粏卧抡?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(chǎng)信息，從而選擇出對(duì)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(chǎng)相對(duì)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(bǔ)充工具引入，并與FDTD進(jìn)行比較以進(jìn)行驗(yàn)證。
第3步：整體透鏡設(shè)計(jì)
一旦從第2步構(gòu)建了相位/光場(chǎng)相對(duì)于半徑的庫(kù)，就有兩種方法可用于設(shè)計(jì)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(duì)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(huì)在內(nèi)存和仿真時(shí)間方面帶來挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于較大的超透鏡而言。
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將超透鏡建模集成到多尺度光學(xué)系統(tǒng)仿真中（Frank Wyrowski教授）
將超透鏡建模集成到多尺度光學(xué)系統(tǒng)仿真中
Frank Wyrowski
November 2024
摘要
摘要
這篇文章探討了近年來備受關(guān)注的超透鏡（metalenses）這一主題。超透鏡是平面透鏡的一種特殊類別，與衍射透鏡和菲涅耳透鏡并列。我們介紹了相關(guān)概念，并展示了 VirtualLab Fusion軟件在模擬和設(shè)計(jì)超透鏡方面的能力。所介紹的技術(shù)和功能計(jì)劃于 2025年發(fā)布。如需獲取更多發(fā)布詳情或關(guān)于超透鏡設(shè)計(jì)與建模的咨詢，請(qǐng)聯(lián)系 support@infotek.com.cn。
本文章源自 2024 年 5 月 29 日在 Photonics Media 網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上，F(xiàn)rank Wyrowski 主持的 “關(guān)于超透鏡的討論” (Let’s Talk About Metalenses)講座的文字記錄和演示文稿。
第一章
介紹
幻燈片 #4–5
LightTrans International開發(fā)了 VirtualLab Fusion 光學(xué)軟件，并通過全球分銷網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推廣。VirtualLab Fusion 是一個(gè)多尺度光學(xué)仿真平臺(tái)，旨在處理各種光學(xué)和光子學(xué)應(yīng)用，平面透鏡只是其中的一個(gè)示例。本文章重點(diǎn)介紹了 VirtualLab Fusion 在平面透鏡領(lǐng)域的潛力。作為軟件開發(fā)商，我們的責(zé)任是為不斷擴(kuò)展的客戶群體提供強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和建模工具，以評(píng)估和應(yīng)用超透鏡（metalenses）及其他平面透鏡于實(shí)際應(yīng)用中。在本文中，我們探討了在軟件開發(fā)過程中，將平面透鏡集成到透鏡系統(tǒng)的建模與設(shè)計(jì)中所面臨的特定任務(wù)和挑戰(zhàn)。
幻燈片 #6–7
由于光學(xué)軟件依賴于精確且可靠的仿真模型，作為開發(fā)者，我們必須深入研究該主題，并全面理解其基本物理原理。這不可避免地涉及一些數(shù)學(xué)分析和方程式，它們對(duì)于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠懻撝陵P(guān)重要。
展開 基于Lumerical fdtd的超透鏡設(shè)計(jì)(介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)和金屬諧振結(jié)構(gòu))
超透鏡是一種通過控制表面納米結(jié)構(gòu)來調(diào)制光束的幅度和相位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波前操控（如光束偏轉(zhuǎn)、光束聚焦和偏振分束等）的新型技術(shù)，現(xiàn)有的超透鏡設(shè)計(jì)一般分為介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)和金屬諧振結(jié)構(gòu)兩種。
一、介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)
對(duì)于超透鏡的各種應(yīng)用來說，首先需要超透鏡的單元，即介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)的透過相位可以在360°的相位范圍內(nèi)進(jìn)行自由調(diào)制。因此，我們第一步要做的便是對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的超透鏡單元進(jìn)行仿真模擬，并輸出其掃描相位結(jié)果，如圖1所示為簡(jiǎn)單的矩形介質(zhì)結(jié)構(gòu)超表面通過腳本掃描得到的結(jié)果。在這一過程中，通常需要點(diǎn)監(jiān)視器、面監(jiān)視器以及其他監(jiān)視器的協(xié)同，并通過腳本或者FDTD自帶的掃描功能對(duì)相位結(jié)果進(jìn)行輸出。
圖 1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的相位掃描圖
在論文的復(fù)現(xiàn)或者書寫過程中，一般還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)或者相位進(jìn)行對(duì)比和輸出，因此也需要利用軟件對(duì)一些關(guān)鍵的場(chǎng)強(qiáng)分布進(jìn)行模擬和輸出，如圖2所示為兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的磁場(chǎng)分布和截面相位分布圖，從相位分布圖中可以看出通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，其透過率相位發(fā)生了一定程度的偏移，這便是后續(xù)進(jìn)行超透鏡整體建模的基礎(chǔ)。在這一過程中，一般僅涉及入門板塊中各監(jiān)視器輸出圖像的內(nèi)容以及相關(guān)后處理的操作。
圖2 兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的截面磁場(chǎng)分布和截面相位分布圖
二、金屬諧振結(jié)構(gòu)
除了這種介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)外，還有大量的研究集中于金屬諧振結(jié)構(gòu)，如圖3所示，這種結(jié)構(gòu)的仿真思路基本第一種結(jié)構(gòu)相同，僅存在部分細(xì)節(jié)的不同。
圖3 金屬諧振諧振結(jié)構(gòu)和FDTD仿真域
對(duì)于金屬諧振結(jié)構(gòu)來說，一般將其反射相位作為超透鏡陣列調(diào)控的參數(shù)，因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)的反射率以及反射相位進(jìn)行仿真模擬，如圖3所示為普通矩形金結(jié)構(gòu)在寬波長(zhǎng)范圍下的反射率和反射相位曲線（通常需要對(duì)該曲線進(jìn)行后處理，使其直接輸出角度制的相位）。
展開 一期一會(huì) | 詳解Ansys方案支持超透鏡和共封裝光學(xué)的技術(shù)發(fā)展
當(dāng)今最重要的兩種先進(jìn)DOE是用于光子集成電路（PIC）的超透鏡和光柵耦合器。
超透鏡
超透鏡由分布在基板上的數(shù)百萬(wàn)個(gè)元原子（具有不同形狀和大小的納米級(jí)結(jié)構(gòu)）組成，以形成透鏡。表面上的元原子的大小和位置會(huì)改變光波的重定向方式。超透鏡和一縷頭發(fā)一樣纖薄，而且更緊湊，所以可替代笨重的傳統(tǒng)透鏡。超透鏡的重量非常輕，因此成為了便攜式設(shè)備的理想之選。此外，超透鏡還可以使用大規(guī)模生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片所用的工藝和設(shè)備來制造。
超透鏡還可以聚焦或過濾特定顏色或波長(zhǎng)，從而顯著減少色差。得益于這些優(yōu)勢(shì)，超透鏡有望在許多應(yīng)用中替代傳統(tǒng)折射透鏡，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡中的投影系統(tǒng)，用于內(nèi)窺鏡的纖薄緊湊型雙向成像/投影透鏡，以及手機(jī)和無人機(jī)中的成像攝像頭。
Ansys Lumerical FDTD軟件中的超透鏡仿真。元原子顯示為外凸的柱狀結(jié)構(gòu)，其尺寸和位置各不相同
光子集成電路的光柵耦合器
另一個(gè)領(lǐng)域是共封裝光學(xué)，這是由光學(xué)元件和封裝基板上的硅組成的集成系統(tǒng)。共封裝光學(xué)器件旨在應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電子產(chǎn)品的功耗和帶寬挑戰(zhàn)，并被視為光子集成電路開發(fā)的重要基石。一些主要應(yīng)用包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、圖像傳感器和光通信等。
利用共封裝光學(xué)技術(shù)，我們能夠耦合兩個(gè)不同尺寸的波導(dǎo)（輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)），使光在兩者之間傳輸時(shí)具有低衰減或最小的信號(hào)損耗。這些連接結(jié)構(gòu)有望成為光子PIC的基本構(gòu)建單元，從而可用光子元件取代電子元件。因?yàn)楣獾膫鬏斔俣缺入娮拥乃俣瓤欤@意味著，從理論上電路可以實(shí)現(xiàn)更快的運(yùn)行速度和更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，因此，未來PIC預(yù)計(jì)將備受青睞。
如何對(duì)衍射光學(xué)元件進(jìn)行仿真和設(shè)計(jì)？
衍射光學(xué)元件的復(fù)雜性和小尺度使其成為了3D電磁仿真軟件的理想備選方案。例如，對(duì)于超透鏡，仿真可以幫助研究人員檢查元原子的位置和大小，以對(duì)光通過不同布局的衍射進(jìn)行仿真。
展開 [VirtualLab] 超透鏡的設(shè)計(jì)與分析
柱分布設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)柱形分布時(shí)，將超構(gòu)透鏡的預(yù)期響應(yīng)和與初始期望函數(shù)的偏差作為輸出：
設(shè)置超構(gòu)透鏡
設(shè)置超構(gòu)透鏡
生成的超結(jié)構(gòu)
模擬工作流程步驟#1
為了對(duì)柱結(jié)構(gòu)的功能進(jìn)行建模，采用了傅里葉模態(tài)法(FMM，也稱為RCWA)。為此，使用帶有通用光柵元件的光柵專用光學(xué)裝置。與設(shè)計(jì)階段使用的方法相反，現(xiàn)在的結(jié)果相位包括鄰近不同柱的相互作用。
步驟#1： 光柵專用光學(xué)裝置 結(jié)果：超構(gòu)透鏡后的相位（以及振幅未顯示）
模擬工作流程步驟#2
在第二步中，使用存儲(chǔ)函數(shù)元件將實(shí)際結(jié)構(gòu)計(jì)算的函數(shù)進(jìn)一步傳播到通用光學(xué)設(shè)置中。
對(duì)比
導(dǎo)出柱結(jié)構(gòu)
為了導(dǎo)出所設(shè)計(jì)的柱結(jié)構(gòu)，通過模塊支持GDSII和基于文本的導(dǎo)出。
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