超透鏡設計的案例
Ansys Lumerical | 超透鏡設計第三部分：如何基于Lumerical以及OpticStudio完成全面的超透鏡設計
說明
本案例的目的是設計一個由圓柱形納米棒組成的衍射超透鏡，人為調整納米棒的半徑和排列可以在超透鏡表面上產生所需的相位分布。該設計的近場和遠場分析在Ansys FDTD、RCWA（嚴格耦合波分析）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鍵結果
超透鏡由精心排列的具有亞波長結構的“單位晶格”或“元原子”組成。通過調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情況。借助幾何參數方面的相位知識，可以通過將元原子放置在必要的位置來創建具有任意相位分布的超透鏡。
第1步：定義目標相位分布
第一步是定義超透鏡的目標相位分布。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，對于更復雜的系統，解析解將不存在或難以計算，我們可以使用光線追跡和優化功能在OpticStudio中設計理想的相位掩模。
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果以供后續步驟使用。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：整體透鏡設計
一旦從第2步構建了相位/光場相對于半徑的庫，就有兩種方法可用于設計和分析超透鏡整體：
直接仿真：根據上一步的目標相位分布以及其相對于半徑的數據情況，在FDTD中構建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接，但它可能會在內存和仿真時間方面帶來挑戰，尤其是對于較大的超透鏡而言。
展開 免費研討會 | Ansys Zemax & Lumerical 聯合設計超透鏡案例
研討會大綱
1.Ansys Zemax 軟件介紹
2.Ansys Lumerical 軟件介紹
3.FDTD 原理講解
4.超透鏡設計思路
5.超透鏡設計案例
研討會信息
主題：Ansys Zemax & Lumerical 聯合設計超透鏡案例
時間：2023年6月12日 15:00-15:45
主辦方：武漢宇熠科技有限公司
參與方式：騰訊會議（會議號：916-896-184）
費用：免費
如您對本次研討會有興趣，可長按識別上方二維碼，即刻報名（名額有限，額滿即止。）
另外，我們針對本次研討會創建了交流群，歡迎聯系工作人員申請進群！
Ansys Lumerical | 超透鏡設計案例分享第二部分：OpticStudio 中的整體透鏡設計
說明
本案例的目的是設計一個由圓柱形納米棒組成的衍射超透鏡，人為調整納米棒的半徑和排列可以在超透鏡表面上產生所需的相位分布。該設計的近場和遠場分析在Ansys FDTD、RCWA（嚴格耦合波分析）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鍵結果
超透鏡由精心排列的具有亞波長結構的“單位晶格”或“元原子”組成。通過調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情況。借助幾何參數方面的相位知識，可以通過將元原子放置在必要的位置來創建具有任意相位分布的超透鏡。
第1步：定義目標相位分布
第一步是定義超透鏡的目標相位分布。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，對于更復雜的系統，解析解將不存在或難以計算，我們可以使用光線追跡和優化功能在OpticStudio中設計理想的相位掩模。
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果以供后續步驟使用。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：整體透鏡設計
一旦從第2步構建了相位/光場相對于半徑的庫，就有兩種方法可用于設計和分析超透鏡整體：
直接仿真：根據上一步的目標相位分布以及其相對于半徑的數據情況，在FDTD中構建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接，但它可能會在內存和仿真時間方面帶來挑戰，尤其是對于較大的超透鏡而言。
展開 設計和分析超透鏡
摘要
透鏡是一種透射光學裝置，通過改變相位來聚焦或發散光。與傳統透鏡不同，超透鏡的優點是能夠在非常薄的膜層中使用波長或更小尺寸的結構來實現所需的相位變化，而不需要復雜和大量的透鏡組。在這個例子中，我們展示了使用圓柱形介電納米柱的超透鏡的設計過程。由于其納米級結構和高折射率對比度，電磁場的全矢量建模是必不可少的。對于初始設置，使用了E.Bayata的工作中的參數。
設計任務
仿真與設置：單平臺互操作性
連接建模技術：超透鏡
連接建模技術：自由空間傳播
接建模技術：探測器
超透鏡設計工作流程
創建理想相位
柱直徑與相位值
圓柱分布設計
利用所需的光學函數和所選類型的超透鏡單元所提供的相位值，可以設計出橫向分布。對于這一步，使用一個模塊，它選擇適當的圓柱直徑來產生所需相位的橫向分布。
在圓柱分布設計期間，超透鏡的預期響應和與初始期望函數的偏差也作為輸出傳遞：
設置超透鏡
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卡中正確配置：
超透鏡的橫向延伸在“周期”選項卡中配置：
產生的超透鏡結構
模擬工作流程 步驟#1
為了模擬柱形結構的函數，采用了傅里葉模態法（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。與在設計階段使用的方法相比，結果相位現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，使用保存函數組件在一般光路中進一步擴展真實結構的計算函數。
對照
圓柱結構導出
為了導出所設計的柱形結構，通過一個模塊支持GDSII和基于文本的導出。
展開 
Lumerical | 超透鏡設計：Lumerical 與 Zemax 的互通性第一部分
說明
本案例的目的是設計一個由圓柱形納米棒組成的衍射超透鏡，人為調整納米棒的半徑和排列可以在超透鏡表面上產生所需的相位分布。該設計的近場和遠場分析在Ansys FDTD、RCWA（嚴格耦合波分析）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鍵結果
超透鏡由精心排列的具有亞波長結構的“單位晶格”或“元原子”組成。通過調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情況。借助幾何參數方面的相位知識，可以通過將元原子放置在必要的位置來創建具有任意相位分布的超透鏡。
第1步：定義目標相位分布
第一步是定義超透鏡的目標相位分布。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，對于更復雜的系統，解析解將不存在或難以計算，我們可以使用光線追跡和優化功能在OpticStudio中設計理想的相位掩模。
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果以供后續步驟使用。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：整體透鏡設計
一旦從第2步構建了相位/光場相對于半徑的庫，就有兩種方法可用于設計和分析超透鏡整體：
直接仿真：根據上一步的目標相位分布以及其相對于半徑的數據情況，在FDTD中構建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接，但它可能會在內存和仿真時間方面帶來挑戰，尤其是對于較大的超透鏡而言。
展開 超透鏡設計APP分享
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p>程序下載 <span style="background-color: rgb(255, 255, 255); color: rgb(51, 51, 51);">??????</span></p><div contenteditable="false" width="100%">
<p><img src="~/assets/images/editor/attachment.png" style="vertical-align: middle"> <a href="https://img.jishulink.com/202311/attachment/5c664a3835f449068f21494f1a803e5d.exe" target="_blank" rel="nofollow">超透鏡設計_App.exe</a></p>
</div><p><br></p><p><span style="background-color: rgb(255, 255, 255); color: rgb(88, 88, 88);">這是一個簡單但功能強大的仿真 App，用于設計由金屬基板上的玻璃納米柱陣列構成的二維反射超透鏡。首先，App 中可以確定特定波長的最佳光柵參數，并計算納米柱直徑與相對相移之間的關系。然后，可以使用這些數據自動構建超透鏡的幾何形狀。最后，對定型幾何進行頻域研究，計算焦點周圍的電場分布。
展開 基于Lumerical fdtd的超透鏡設計(介質天線結構和金屬諧振結構)
這一步驟與超材料吸波體、電磁誘導透明和超材料濾波器等器件的模擬基本一致。與介質天線結構類似，后續也需要對不同參數下的金屬諧振結構進行掃描并將其相位進行輸出，以便后續超透鏡的相關設計。
圖5 金屬諧振結構的表面電場圖和磁場實部圖
以上工作準備完成后，我們才可以根據超透鏡的功能需求對其陣列進行設計以及相關的建模和仿真工作.
lumerical一對一培訓介紹:
Lumerical培訓
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微信公眾號:320科技工作室
[VirtualLab] 超透鏡的設計與分析
柱分布設計
在設計柱形分布時，將超構透鏡的預期響應和與初始期望函數的偏差作為輸出：
設置超構透鏡
設置超構透鏡
生成的超結構
模擬工作流程步驟#1
為了對柱結構的功能進行建模，采用了傅里葉模態法(FMM，也稱為RCWA)。為此，使用帶有通用光柵元件的光柵專用光學裝置。與設計階段使用的方法相反，現在的結果相位包括鄰近不同柱的相互作用。
步驟#1： 光柵專用光學裝置 結果：超構透鏡后的相位（以及振幅未顯示）
模擬工作流程步驟#2
在第二步中，使用存儲函數元件將實際結構計算的函數進一步傳播到通用光學設置中。
對比
導出柱結構
為了導出所設計的柱結構，通過模塊支持GDSII和基于文本的導出。
展開 VirtualLab：超透鏡的設計與分析
柱分布設計
在設計柱形分布時，將超構透鏡的預期響應和與初始期望函數的偏差作為輸出：
設置超構透鏡
設置超構透鏡
生成的超結構
模擬工作流程步驟#1
為了對柱結構的功能進行建模，采用了傅里葉模態法(FMM，也稱為RCWA)。為此，使用帶有通用光柵元件的光柵專用光學裝置。與設計階段使用的方法相反，現在的結果相位包括鄰近不同柱的相互作用。
步驟#1：光柵專用光學裝置結果：超構透鏡后的相位（以及振幅未顯示）
模擬工作流程步驟#2
在第二步中，使用存儲函數元件將實際結構計算的函數進一步傳播到通用光學設置中。
對比
導出柱結構
為了導出所設計的柱結構，通過模塊支持GDSII和基于文本的導出。
展開 超透鏡的設計與分析
設計任務
透鏡是一種透射光學裝置，通過改變光的相位使光聚焦或散焦。與傳統透鏡不同，超透鏡的優點是能夠在非常薄的層中實現所需的相位變化，使用的結構尺寸在波長量級及以下，而不需要復雜和體積龐大的透鏡組。在這個例子中，我們展示了使用圓柱形介電納米柱超構透鏡的設計過程。由于其納米級結構和高折射率對比度，電磁場的全矢量建模是必不可少的。對于初始配置，使用E. Bayata工作中的參數。
平面透鏡|從光滑表面到菲涅爾、衍射和超透鏡的演變
摘要
在光學設計中，通常使用兩種介質之間的光滑界面來塑造波前。球面和非球面界面用于在成像系統中創建透鏡和反射鏡。在非成像光學中，自由曲面被用來故意引入特定的像差以塑造光的能量分布。在每種情況下，表面都將入射波前的相位轉換為符合設計標準的特定輸出相位。
平面表面可以實現通常通過光滑表面進行的相同相位變換。本文探討了設計平面透鏡的基本原理，包括菲涅爾透鏡、衍射透鏡和超透鏡。
所有示例均使用VirtualLab Fusion (VLF) 軟件進行。新引入的技術和功能計劃于2025年發布到VLF。如需了解更多發布詳情或有關超透鏡設計和建模的疑問，請聯系support@infotek.com.cn。
本文源自Frank Wyrowski在2024年5月22日Photonics Media網絡研討會上，Frank Wyrowski主持的 “平面透鏡：追尋從平滑表面到菲涅爾透鏡、衍射透鏡以及超透鏡的演變” (Flat Lenses: Tracing the Evolution from Smooth Surfaces to Fresnel, Diffractive, and Meta Lenses)講座的文字記錄和演示文稿。
1.平面透鏡的潛力與局限性
幻燈片 #2-5
在本文的開頭，我打算探討一個問題：將平面透鏡集成到光學設計中可以期待什么樣的結果？為了回答這個問題，有必要介紹一些與平面透鏡討論相關的透鏡設計基本原理。每個透鏡都旨在轉換一個或多個入射波前。在成像中，通常轉換球面和平面波前。透鏡的功能由其預期執行的轉換定義。這些信息通過所謂的功能透鏡得以保存，并可用于建模和設計。功能透鏡通過一組輸入相位及其相應的輸出相位（也稱為信號相位）提供所有轉換的詳細信息。僅涉及一對波前相位的轉換稱為單場轉換。
展開 
平面透鏡|從光滑表面到菲涅爾、衍射和超透鏡的演變
摘要
在光學設計中，通常使用兩種介質之間的光滑界面來塑造波前。球面和非球面界面用于在成像系統中創建透鏡和反射鏡。在非成像光學中，自由曲面被用來故意引入特定的像差以塑造光的能量分布。在每種情況下，表面都將入射波前的相位轉換為符合設計標準的特定輸出相位。
平面表面可以實現通常通過光滑表面進行的相同相位變換。本文探討了設計平面透鏡的基本原理，包括菲涅爾透鏡、衍射透鏡和超透鏡。
所有示例均使用VirtualLab Fusion (VLF) 軟件進行。新引入的技術和功能計劃于2025年發布到VLF。如需了解更多發布詳情或有關超透鏡設計和建模的疑問，請聯系support@infotek.com.cn。
本文源自Frank Wyrowski在2024年5月22日Photonics Media網絡研討會上，Frank Wyrowski主持的 “平面透鏡：追尋從平滑表面到菲涅爾透鏡、衍射透鏡以及超透鏡的演變” (Flat Lenses: Tracing the Evolution from Smooth Surfaces to Fresnel, Diffractive, and Meta Lenses)講座的文字記錄和演示文稿。
1.平面透鏡的潛力與局限性
幻燈片 #2-5
在本文的開頭，我打算探討一個問題：將平面透鏡集成到光學設計中可以期待什么樣的結果？為了回答這個問題，有必要介紹一些與平面透鏡討論相關的透鏡設計基本原理。每個透鏡都旨在轉換一個或多個入射波前。在成像中，通常轉換球面和平面波前。透鏡的功能由其預期執行的轉換定義。這些信息通過所謂的功能透鏡得以保存，并可用于建模和設計。功能透鏡通過一組輸入相位及其相應的輸出相位（也稱為信號相位）提供所有轉換的詳細信息。僅涉及一對波前相位的轉換稱為單場轉換。
展開 Lumerical FDTD設計超透鏡產生渦旋光束
摘要：渦旋光束因攜帶軌道角動量(OAM)在光通信、量子信息及超分辨顯微等領域具有重要應用，但其傳統生成方法依賴體光學元件，存在體積大、效率低等問題。基于超表面的渦旋超透鏡通過亞波長結構實現波前相位調控，兼具緊湊性與高性能優勢。本文基于Lumerical FDTD仿真平臺，設計了一種高效生成拓撲電荷數可調的渦旋超透鏡。在設計原理上，通過幾何相位(PB相位)結合傳播相位聯合調控，利用二氧化鈦(TiO2)納米柱陣列對圓偏振入射光進行相位延遲，構建滿足螺旋相位因子的梯度相位分布(l為拓撲荷數，為方位角)。設計中采用FDTD全波仿真，優化納米柱尺寸，實現0-2π連續相位覆蓋及高透射效率(>80%)。仿真結果表明，所設計超透鏡在1um波長下可生成純度高于90% 的渦旋光束，最后分析超透鏡生成的渦旋光束的拓撲電荷數是否符合理論設計。橫向尺寸僅為20μm×20μm。
展開 超表面設計參數復雜難優化？OAS光學軟件專業方案來破局
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</figure><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong>OAS折超混合模塊</strong></p><p>為了解決超透鏡手動設計方法的局限性，全世界都在努力開發具有逆向設計功能的自動化流程。因此，當務之急是開發出一款易于使用的工業設計工具來實現超透鏡設計自動化，讓各種專業水平的開發者都能快速輕松地設計超透鏡系統。
展開 Ansys Lumerical | GPU，超透鏡，鈮酸鋰調制器等重磅來襲！
?通過使用 optiSLang 驅動涉及 MQW 求解器的多物理場設計工作流程，如優化邊射型激光器、EAM 和 uLED等。
?使用 optiSLang 的強大功能，通過 RCWA 優化光子晶體或超透鏡設計。
