超穎表面設計的案例
[VirtualLab] 納米柱陣列超穎表面構建模塊的嚴格分析
摘要
利用先進的制造技術，人們成功實現了具有高數值孔徑的可見波長的超透鏡。通常使用空間變化的納米結構作為模塊來構建超透鏡。在這個例子中分析了用于組成偏振不敏感超透鏡的納米柱狀結構。利用傅立葉模態方法（FMM，也稱為RCWA），嚴格計算這種納米柱的振幅和相位傳輸。
建模任務
納米柱分析vs柱子直徑
納米柱分析vs柱子直徑
附錄：TiO2的折射率
圖表來源于R. C. Devlin, M. Khorasaninejad, W.-T. Chen, J. Oh, F. Capasso, arXiv:1603.02735 (2016)
VirtualLab Fusion視圖
VirtualLab Fusion工作流程
? 構造光柵結構
- 使用界面配置光柵結構 [用例]
- 使用特殊介質配置光柵結構 [用例]
? 分析光柵衍射效率
- 光柵級次分析器 [用例]
? 使用參數運行檢查特定參數的影響
- 參數運行文檔的用法 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
further reading
- Ultra-Sparse Dielectric Nano-Wire Grid Polarizers
- Investigation of Polarization State of Diffraction Orders
- Rigorous Analysis and Design of Anti-Reflective
展開 [NEWSLETTER] 閃耀超穎光柵的設計
在不同的應用中，超穎光柵和常規的超表面開始引起越來越多的關注。它們以在非傍軸情況下保持高衍射效率而聞名。通過適當選擇納米柱的類型作為超穎光柵的晶胞，可以實現對偏振不敏感的設計。根據P. Lalanne等人 –超表面研究領域的先驅–的工作，我們構建了一個閃耀超穎光柵，并在VirtualLab Fusion中對其進行了優化。
閃耀超穎光柵的建模和設計
我們使用VirtualLab Fusion設計并構建了使用方形納米柱的閃耀超穎光柵，分析了其偏振相關的衍射效率，并對其進行了進一步優化。
超光柵的構造–實例討論
根據選定的示例，我們展示了如何在VirtualLab Fusion中構造和配置超光柵結構和材料。
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展開 [VirtualLab] 閃耀超穎光柵的建模與設計
閃耀光柵構建
初始設計性能分析
傳輸場可視化
超穎光柵的進一步優化
優化后設計的性能分析
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion工作流程
?分析超表面(metasurface)單元格
?納米柱超表面構件的嚴格分析 [用例]
?構建超穎光柵
?分析光柵衍射效率
?光柵級次分析儀 [用例]
?光柵結構的參數優化
VirtualLab Fusion技術
文件信息
更多閱覽
-Rigorous Analysis of Nanopillar Metasurface Building Block
-Analysis and Design of Highly Efficient Polarization Independent Transmission Gratings
展開 閃耀超穎光柵的建模與設計
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初始設計性能分析
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超穎光柵的進一步優化
優化后設計的性能分析
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?納米柱超表面構件的嚴格分析[用例]
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Ansys Zemax光學設計軟件技術教程：單擊表面類型會自動打開表面屬性怎么辦？
單擊表面類型會自動打開表面屬性，突然這樣了，不知道如何設置回來。根據描述的情況，該問題已經作為bug記錄在我司系統內。具體有以下幾種方式可能可以幫助到您：1.最簡單的情況是重啟電腦可以解決問題。2.如果重啟電腦無效，可以使用 Express View 解決問題：3.將 OpticStudio 進行重裝4.前往Windows系統中的 TEMP file 文件夾，將內部文件清空，詳情可以參考：https://helpx.adobe.com/x-productkb/global/delete-temporary-files-using-disk.html
光研科技南京有限公司是國內可靠的Ansys Zemax光學設計軟件代理商！公司已經為廣大企業，研究所以及高校提供了很多優秀的相關產品和服務，在行業內建立了值得信任的口碑。
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聯系人：光研科技南京有限公司徐保平
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展開 AI賦能超表面設計 | 突破光學設計局限
原文信息
原文標題：“AI for optical metasurface”
第一作者：Akira Ueno、Juejun Hu、Sensong An
超表面的特性與商業化需求
作為一種由亞波長單元構成的二維人造材料陣列結構，超表面能夠憑借特定的結構設計與排列，實現對光波相位、振幅和偏振的有效調控。歷經多年發展，超表面正逐步從實驗室邁向商業市場。要達成這一轉變，需要更先進準確的超表面單元設計方法，要考慮加工制造過程中的偏差，還需引入特定處理算法以提升光學性能。那么，超表面怎樣才能 “走進千家萬戶” 呢？人工智能給出了一套可行的解決方案。
AI X 超表面（來自原文）
AI 助力超表面單元設計突破局限
當前，超表面單元設計廣泛采用的方法以周期性邊界條件近似假設為基礎。當相鄰單元的耦合較弱且相位梯度較小時，這種方法可以快速設計出符合要求的超表面。但在該框架下，無法設計出具有大數值孔徑和視場角的超表面（Metasurface）或超透鏡（Metalens），而這恰恰是超表面相較于傳統光學和衍射光學元件（DOE）的核心優勢。
AI與超表面單元設計案例（來自原文）
近年來，研究人員提出了幾種新穎的深度神經網絡（DNN）模型，這些模型將相鄰單元的形貌納入輸入范圍，并利用大型數據集來識別實際邊界條件下不同相鄰單元產生的影響。例如，以目標單元和與其最相鄰的八個單元作為輸入，來預測目標單元的響應。利用時域有限差分法（FDTD）獲取充足的訓練數據后，模型能夠充分考慮單元之間的相互耦合，進而輸出高效率的超表面單元結構。
AI 應對超表面制造與封裝偏差
在超表面的生產制造與封裝過程中，必然會存在偏差，這是超表面設計中無法回避的問題。
展開 Lumerical 表面浮雕光柵仿真設計
01 說明
在本例中設計了一個傾斜表面浮雕光柵(SRG, Slanted Surface Relief Grating) 將光耦合到單色增強現實(AR)系統的波導中。光柵的幾何結構經過優化將垂直入射光引導至光柵的-1級中，然后將光柵特性導出為Lumerical 亞波長模型(LSWM, Lumerical Sub-Wavelength Model) JSON格式，以便在Speos中對該SRG進行系統級模擬(參見Zemax Lumerical Speos 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真)。
02 綜述
SRG所設計的幾何參數為其傾斜角度、填充因子和高度，如下圖所示:
光柵和襯底的折射率為1.8，光柵被空氣包圍，周期為393nm。光柵將被優化為將550nm波長的光傳輸到光柵的-1級。我們將使用RCWA求解器來定義仿真參數并運行和優化仿真。
步驟1：內耦合光柵的優化
該步驟將使用Lumerical內置的粒子群優化（PSO）算法對SRG的傾斜角、填充因子和光柵高度進行了優化，以最大限度地將550nm波長的S偏振傳輸到-1光柵級。
初始設計的仿真結果顯示大約56%垂直入射的S偏振光被傳輸到光柵的-1級。然后將使用軟件的優化功能優化光柵幾何結構以提升該數值?！皁ptimization”對象包括SRG的傾斜角度、填充因子和光柵高度，傳輸到S偏振的光柵-1級的能量被用作品質因數（FOM）。設定如下所示：
優化后的幾何結構中光柵-1級的衍射效率約為94.7%。需要注意的是，這種類型的光柵的FOM[1]可以具有多個局部最大值。
展開 【機械設計】表面粗糙度的應用
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ZEMAX光學設計軟件技術教程：OpticStudio 中的復合表面
蒙特卡羅分析設置
我們還可以打開一個蒙特卡羅隨機文件來驗證并更好地了解操作數如何向表面添加不規則度。如圖 16 所示，Q 型非球面上增加了一個復合組件面，該表面帶有 TDE 中指定的 Zernike 標準矢高擾動項。
圖 16. TEZI 操作數使用 Zernike 標準矢高復合表面對 Q 型非球面表面進行公差分析
有一系列知識庫文章解釋了上面使用的手機鏡頭系統設計，該系列文章可參考：使用 OpticStudio 進行手機鏡頭設計第一部分：光學設計
請查看并使用手機鏡頭示例文件來嘗試新的復合表面功能，期待您的反饋！
API 控制
為復合表面添加了，IsCompositeSurface 和 SetOffAxisTiltAndDecenter() 兩個新的 API 命令。
IsCompositeSurface 用于此參數的 Sets 和 Get 值。SetOffAxisTiltAndDecenter() 根據離軸表面孔徑中心的復合表面基面法線矢量計算得出所需填充的恰當屬性值。
展開 光學設計教程：解析 Zemax OpticStudio 中復合表面的工作原理
Ansys Speos光學仿真軟件基于可視化產品三維模型，直接采用數字樣機，使用虛擬環境仿真平臺，進行視覺功效虛擬分析和人因環境評估，在產品設計階段對的方案可行性進行驗證，在設計前期發現、反饋和處理問題，使光學設計以高效率、超同步、易優化的工作實現可靠的產品解決方案。
Lumerical
Lumerical是Ansys公司開發的用于微納光子器件、芯片及系統的設計仿真軟件，融合了FDTD、EME等求解器，對微納結構及其器件進行設計仿真分析。
Ansys Zemax光學軟件
咨詢與訂購方式
您也可以掃一掃下面的二維碼填寫需求進行咨詢光學相關的軟件！
展開 Zemax光學設計技術教程：如何使用Jones Matrix表面
範例
下方是一個將Jones Matrix表面作為1/4玻板(quarter wave plate)的案例。範例檔案可由文章頂端的連結下載。
注意，上圖中Jones Matrix表面並沒有曲率半徑(Radius)的欄位。如上一個小節所說，這種表面通常用在準直光束垂直入射的情況，因此必須是一個平面。我們可以在下圖的分類數據報告(Prescription data)看到矩陣中的元素已被輸入鏡頭數據編輯器(Lens Data Editor)。在這個案例中，Jones Matrix被用來當作x方向上的1/4玻板。
觀察Jones Matrix表面產生的結果最簡單的方式是利用偏振光瞳圖(Polarization Pupil Map)。依序選取Analyze...Polarization...Polarization Pupil Map，我們可以看到如下圖的結果。
觀察上圖，我們可以看到輸入的圓偏振被轉為線偏振。假如我們將Jones Matrix當作x方向上的半玻板 (Areal = -1, Dreal = +1，其餘元素皆為0)，這時輸出的圓偏振方向會與輸入時相反(例如輸入左旋圓偏振後會產生右旋圓偏振的結果)。
假如我們將Jones Matrix當作x方向上的檢偏鏡(analyzer) (Areal = +1，其餘元素皆為0)，則只有x方向的偏振光可以順利通過，穿透率(Transmission)也因此減為原本的一半。
注意: Analyze...Polarization中的所有分析功能均有Settings的選項，提供使用者直接輸入入射光的偏振態。
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薄膜型聲學超表面設計與可調節性研究
而低頻噪聲由于具有波長大、穿透性強、傳播距離遠等特點，根據質量作用定律，傳統的隔聲材料需要通過不斷增加材料的重量、體積來提升低頻隔聲效果，一方面顯著增加了隔聲成本，另一方面也占用了大量有效空間，因此，如何在不顯著增加材料重量和體積的前提下提升低頻隔聲效果(即打破質量作用定律的限制)是隔聲領域中研究難點
研究內容：
結合薄膜型聲學超材料與聲學超表面在低頻降噪領域的優越性，設計一種薄膜型聲學超表面，研究超寬帶低頻隔聲的可能性。致力于實現低頻寬帶隔聲降噪并實現隔聲帶的可調節性。
圖1. 薄膜型聲學超表面的結構示意圖
技術路線：
在COMSOL軟件中對薄膜型聲學超表面的隔聲特性進行仿真分析。首先建立有限元仿真幾何模型，然后設置變量和定義材料屬性，建立圓柱形空氣域，對入射口出射口積分，計算入射、出射聲功率。設置薄膜的預應力，模型框架設置邊界固定條件，并劃分自由四面體網格。在采用壓力聲學頻域和固體力學兩個物理場接口。
建立薄膜聲學超表面的幾何模型并完成網格的劃分：
圖2.幾何模型的構建
圖3.網格的劃分
圖4.薄膜聲學超表面的預應力對隔聲損失的影響
圖5.論文中的預應力對隔聲損失的影響
基于以上分析，可改變參數對其參數化掃描，即可得到薄膜型聲學超表面的結構化參數的影響。
最后,有相關需求歡迎通過公眾號"320科技工作室"與我們聯絡
展開 基于comsol的THz超表面BIC設計思路
接下來，我們首先設計一個近紅外波段的BIC。為不失一般性，我們將近紅外波段的BIC推廣到我們所需要的THz波段，體會設計思路。軟件為Comsol。
我們選取兩根介質硅棒作為我們的結構，如下圖所示，
兩根介質棒嚴格等長平行，在電磁場的激勵下會形成振幅相等但相位相反的一對電偶極子共振。。
在x和y方向我們選擇周期性邊界條件（注意：x方向設一個周期性邊界，y方向設一個周期性邊界），如下圖所示，
z方向是我們的入射方向，在完美匹配層邊界處設置入射端口和出射端口。
這里我們選擇TM模式激發，考慮沿x軸斜入射的情況，磁場方向始終與波矢方向垂直，沿y方向。
首先我們在光波段（較為常見）去設計BIC，BIC是無法觀測的，如下圖藍線所示，因此設計思路是在一個大的頻率范圍內去尋找準BIC。這里我們打破結構的對稱性，將其中一個介質棒截短。打破了C2對稱性（旋轉180度無法與自身重合），此時，無法兩個電偶極子無法嚴格干涉相消，泄露出來形成準BIC，如下圖綠線所示。同理，其他對稱性破缺方式也可以形成準BIC。
5 推廣到THz
接下來介紹如何將已有的模型/BIC推廣到想要的波段。在上述例子中，BIC大概位于1050 nm，THz波段我們選取0.5 THz，波長大概為600 um。在光學中如果按照一定的倍數縮放模型尺寸，那相應的波長也會以相同的倍數縮放。因此縮放后，我們可以得到THz的BIC和準BIC，分別如下圖藍線和綠線所示。
具體仿真模型和詳細操作指南歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
展開 Ansys Lumerical | 超表面圖像傳感器濾光片的逆向設計
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前言
在本例中，我們展示了基于超表面的CMOS圖像傳感器濾光片的逆向設計，它可以替代傳統的拜耳濾光片，后者因用吸收來過濾色彩而導致光損耗。我們可以通過在 Lumopt（基于 Python 的 Lumerical 優化工具）中使用紅色和藍色像素的綜合強度作為品質因數，顯著提高每個像素的效率。
綜述
為了設計超表面，我們使用了 Lumerical Lumopt 的多參數、多目標拓撲逆向設計優化方法。我們將超原子的折射率在 1.0（空氣）到 2.4（TiO2）之間變化，并最大限度地提高 2D 紅色和藍色敏感傳感器區域的光學效率。
步驟1：定義基礎模擬項目
下載示例附帶的文件并將所有文件解壓到一個公共目錄中。然后我們需要定義一個基礎模擬項目，包括模擬區域、優化區域、光源和監視器。初始模擬是通過腳本文件 Base_script_2D_TE_volume.lsf 生成的。我們可以通過在 FDTD 中打開并運行腳本來檢查設置：
首先，我們需要定義超表面的兩種材料的折射率。此案例中分別為 1.00 和 2.4。我們將空氣的折射率設置為 1。
其次，我們需要將監視器的位置定義為每種顏色的品質因數 (FOM) 監視器。您可以通過更改場區域監視器的大小來修改像素的大小和位置。
最后，我們需要通過監視器定義優化區域。我們將優化區域的大小定義為 3 x 1 μm。此外，您可以根據需要更改優化區域。
步驟2：定義優化區域
下一步，我們需要在腳本文件 topo_focus_2D_basic.py 中定義幾個優化參數。
首先，我們需要定義如下品質因數。在 FDTD 腳本文件編輯器中打開topo_focus_2D_basic.py。
展開 設計仿真 | Actran聲源識別方法連載（二）：薄膜模態表面振動識別
這一期，我們將介紹第二種聲源識別方法：基于噪聲測試的薄膜模態表面振動識別方法。通過實際工作狀態下的聲音測量數據結合聲源結構表面的空氣薄膜模態，反推出各階薄膜模態的參與因子，從而了解聲源表面的真實振動情況。
圖 1 基于噪聲測試的表面振動識別（空氣薄膜模態方法）
01
薄膜模態的概念
針對機械結構（幾何域Ωs）的聲輻射問題，將其外部邊界記作Γs。此邊界與外部的聲學層（幾何域ΩL）相連，邊界ΓL與Γs重合。假設聲學層ΩL的厚度tL相對于聲波長來說很小（tL << λ），即可以用這種具有無限小厚度的區域來替代原有的流體物理域。而薄膜模態（Pellicular modes）的概念即為與這個薄膜域有關的聲學模態的集合。
圖 2 薄膜區域示意圖
Actran軟件當中的模態提取功能不僅可以針對實體結構或者有限體積的空氣域進行模態提取，也可提取任意結構表面的薄膜模態。
薄膜模態可以用來評估任何聲源的輻射聲場問題。首先需要創建一個輻射數據庫，計算麥克風與這些薄膜模態之間的傳遞函數；然后利用上述信息來解決聲源識別問題。例如評估產生噪聲場的聲源表面法向速度分布、重構任意位置麥克風的響應。
02
薄膜模態方法識別等效聲源的流程
輸入數據包括聲源表面網格以及聲源的噪聲測量數據。Actran程序的步驟如下：
1) 模態提?。夯诼曉?em>表面網格，進行薄膜模態提取，保存模態數據庫。
圖 3 變速箱表面的薄膜模態
2) 模態輻射傳函分析：逐個計算每個薄膜模態的聲輻射模式，獲得每個模態與各個麥克風之間的傳遞函數。
圖 4 各階薄膜模態與麥克風測點的傳函計算
3) 逆方法（聲源識別）：使用每個近場麥克風與薄膜模態之間的傳遞函數及實驗測量數據，求解最小二乘問題匹配實驗結果，以計算每個薄膜模態的參與因子。
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