超表面仿真的案例
活動報名 | 共探微納光學未來 — OAS光學軟件光波導+超表面解決方案交流會
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光波導+超表面解決方案線下活動
當下，AR/VR、光通信、超透鏡、微納成像等領域飛速發展，光波導作為 AR 顯示核心、超表面作為光學系統小型化關鍵，設計與仿真難度陡增。
2026年5月15日，OAS 光學軟件光波導仿真 + 超表面仿真解決方案線下活動將于上海舉辦，助您掌握光波導/超表面仿真設計核心技能。誠邀光學領域各位專家、老師、學者齊聚，零距離體驗國產自研光學仿真的硬核實力！
01/行業痛點，一鍵破解
當前光波導與超表面設計面臨多重困境：
?模型搭建復雜、參數優化繁瑣，傳統工具效率低、精度不足；
?跨尺度仿真難兼顧，幾何光學到波動光學銜接斷層；
?國產替代需求迫切，自主可控的專業仿真工具稀缺。
02/軟件強效助力光波導/超表面仿真
（軟件主界面）
OAS光學軟件軟件能夠在3D空間中通過序列和非序列光線追跡技術，精確模擬光學系統的性能表現。
軟件集成幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實現毫米級到納米級全尺度無縫仿真。
展開 10，comsol超表面-仿真石墨烯 ￥2395
在之前兩篇帖子中介紹了仿真石墨烯的兩種方法
1，根據公式求解電導率，然后代入公式求解相對介電常數，最終處理成面材料。
2，根據公式求解電導率，然后代入公式求解相對介電常數，最終處理成體材料，用掃略網格剖分石墨烯節省計算量。
不管哪種方法，都要把電導率轉換為相對介電常數，但有的文章中并沒有給出石墨烯的厚度，而將電導率轉換為相對介電常數的公式中分母要輸入石墨烯厚度，那么該怎么辦呢？
此時可以選擇舍棄求相對介電常數，直接在comsol中設置石墨烯為表面電流密度，在這個設置中就只需要用到石墨烯的電導率，不需要石墨烯的厚度參數。
比如下面這篇文章《All-Optical AND, OR, and XOR Logic Gates Based on Coherent Perfect Absorption in Graphene-Based Metasurface at Terahertz Region》
基于石墨烯超表面相干完全吸收的全光與或或異或邏輯門.pdf
下面是我重復的結果展示（盡管文章給了石墨烯厚度，但沒給出從電導率到相對介電常數的公式，所以我把石墨烯處理成表面電流邊界條件）
粗看仿真結果一樣，細看就會發現有點不同。原因源自兩方面，1，作者用的FDTD，我用的comsol。2，為了節省時間，網格并沒有畫的很密。
本文的仿真難點
復現該文的難點在于，如下圖，有兩束光照射到超材料上，求SiO2表面上的石墨烯的吸收率。如何在comsol中設置兩束光，同時設置兩束光后，是用S參數去求吸收率嗎？可以去試試S參數求吸收率，看看會得到什么。如果不能用S參數求，那該怎么求吸收率？答案在下面的模型中
下面是付費內容，包含模型如下
展開 JCMsuite應用：介質超表面的仿真
這是一個簡單但常見的超原子結構的案例：襯底上包含一個納米圓盤的雙重周期方形晶格。示例和參數均取自Berzins等的文章[1]，單元格在X和Y方向上均是周期性的。它包含一個位于基板上的圓盤(或圓柱體)，被背景材料包圍。本案例中的材料根據參考文獻選擇為硅(圓盤)、玻璃(襯底)和空氣(背景)。
線偏振平面波s偏光和p偏光從上方入射到光柵，用JCMsuite計算近場分布。
下圖所示為垂直入射平面波的波長為550nm時所顯示的近場和強度分布：
散射體外的場矢量和強度分布
兩個平面上的p偏光的場矢量以幾何形式疊加
后處理傅里葉變換(Fourier Transform)計算透射衍射階的振幅。后處理散射矩陣(Scattering Matrix）從傅里葉變換(Fourier Transform)中得到的平面波分解從而計算散射量。
光譜特性
在參考文獻 [1]中，對透射光譜進行了調整以提供顏色過濾。腳本data_analysis/run_scan_illumination.py的目的是重現文章中圖1的光譜圖。
相位分布
要改變透射波前的形狀，需要控制其相應的相位。對于一個給定的結構，我們從瓊斯矩陣中得到這個相位，這個矩陣是由后處理散射矩陣(ScatteringMatrix.)計算出來的。這為任意兩個線性獨立入射場的透射階的p和s偏振分量產生了一個復透射系數。它的相位是透射波相對于入射波的相移。雖然絕對相位很少引起人們的興趣，但它對原子參數和入射光的變化關系通常是令人感興趣的。
展開 JCMsuite應用：介質超表面的仿真
這是一個簡單但常見的超原子結構的案例：襯底上包含一個納米圓盤的雙重周期方形晶格。示例和參數均取自Berzins等的文章[1]，單元格在X和Y方向上均是周期性的。它包含一個位于基板上的圓盤(或圓柱體)，被背景材料包圍。本案例中的材料根據參考文獻選擇為硅(圓盤)、玻璃(襯底)和空氣(背景)。
線偏振平面波s偏光和p偏光從上方入射到光柵，用JCMsuite計算近場分布。
下圖所示為垂直入射平面波的波長為550nm時所顯示的近場和強度分布：
散射體外的場矢量和強度分布
兩個平面上的p偏光的場矢量以幾何形式疊加
后處理傅里葉變換(Fourier Transform)計算透射衍射階的振幅。后處理散射矩陣(Scattering Matrix）從傅里葉變換(Fourier Transform)中得到的平面波分解從而計算散射量。
光譜特性
在參考文獻 [1]中，對透射光譜進行了調整以提供顏色過濾。腳本data_analysis/run_scan_illumination.py的目的是重現文章中圖1的光譜圖。
相位分布
要改變透射波前的形狀，需要控制其相應的相位。對于一個給定的結構，我們從瓊斯矩陣中得到這個相位，這個矩陣是由后處理散射矩陣(ScatteringMatrix.)計算出來的。這為任意兩個線性獨立入射場的透射階的p和s偏振分量產生了一個復透射系數。它的相位是透射波相對于入射波的相移。雖然絕對相位很少引起人們的興趣，但它對原子參數和入射光的變化關系通常是令人感興趣的。
下圖描繪了透射系數的幅值和相位(由于對稱性，這與偏振性無關):
這個圖也是由腳本data_analysis/run_scan_illumination.py生成的。
納米片半徑和高度的變化會影響相位和透射率。
展開 
JCMsuite應用：介質超表面的仿真
這是一個簡單但常見的超原子結構的案例：襯底上包含一個納米圓盤的雙重周期方形晶格。示例和參數均取自Berzins等的文章[1]，單元格在X和Y方向上均是周期性的。它包含一個位于基板上的圓盤(或圓柱體)，被背景材料包圍。本案例中的材料根據參考文獻選擇為硅(圓盤)、玻璃(襯底)和空氣(背景)。
線偏振平面波s偏光和p偏光從上方入射到光柵，用JCMsuite計算近場分布。
下圖所示為垂直入射平面波的波長為550nm時所顯示的近場和強度分布：
散射體外的場矢量和強度分布
兩個平面上的p偏光的場矢量以幾何形式疊加
后處理傅里葉變換(Fourier Transform)計算透射衍射階的振幅。后處理散射矩陣(Scattering Matrix）從傅里葉變換(Fourier Transform)中得到的平面波分解從而計算散射量。
光譜特性
在參考文獻 [1]中，對透射光譜進行了調整以提供顏色過濾。腳本data_analysis/run_scan_illumination.py的目的是重現文章中圖1的光譜圖。
相位分布
要改變透射波前的形狀，需要控制其相應的相位。對于一個給定的結構，我們從瓊斯矩陣中得到這個相位，這個矩陣是由后處理散射矩陣(ScatteringMatrix.)計算出來的。這為任意兩個線性獨立入射場的透射階的p和s偏振分量產生了一個復透射系數。它的相位是透射波相對于入射波的相移。
展開 30，comsol仿真半波片/四分之一波片型超表面 ￥4500
利用超表面來構造波片是一個不錯的idea。比如很傳統的L型金屬三明治結構的反射型超表面就可以實現玻片功能。</p><p>下面是對于一篇論文的結果復現，作者設計了一個三明治結構，底層一個金屬層做全反射，中間的介質層調控FP腔的尺寸，上面的L型金屬條負責入射光x偏振轉換為y偏振的反射光，整體結構實現了一個反射型半波片的功能。為了表征轉換效果，還求解了反射光的線偏振度，圓偏振度，偏振方位角和橢圓率角。
6，comsol超表面-仿真帶積分號的石墨烯
在上一篇文章中，那個石墨烯電導率公式不帶積分號，有的文章中石墨烯電導率是帶積分號的。比如今天這篇文章《Tunable terahertz band-stop filter based on self-gated graphene monolayers with antidot arrays 》。
Tunable terahertz band-stop filter based on self-gated graphene monolayers with antidot arrays.pdf
文中給出石墨烯電導率公式如下
看到積分號，首先回會想到matlab。但其實不借助matlab，完全在comsol中也能處理這種積分號問題。觀察上面兩個積分式，發現積分上限為無窮，這說明被積分的在無窮遠處可能是收斂于0的。
下圖是（2）式中 被積分函數 與epsilon的關系。（uc=0eV,gamma=0.1meV）
下圖是（3）式中 被積分函數 與epsilon的關系。
看到上面兩幅圖，就不用怕那個積分號了。
下圖是我復現結果與原文對比
文章模型如下
在相對介電常數為epsilon1和epsilon2的介質基板，在epsilon1的介質板上下有石墨烯，石墨烯不是完整的，而是中間有個圓孔。太赫茲波垂直照下來，發現有一個很窄的吸收峰如上圖透射光譜dB所示。上圖是周期性結構的一個單元。
展開 光 · 學堂 | 基于VirtualLab Fusion的微結構仿真設計與加工技術（光柵、超表面、蛾眼結構的仿真與加工技術）2026/5/19-5/20
本課程借助光之數字模型平臺VirtualLab Fusion，結合多種仿真算法，開展各類微結構的仿真設計與性能優化教學。
課程涵蓋衍射光學元件、光柵、超表面等多種微結構類型，包括蛾眼減反射表面、偏振無關光柵、超構透鏡等，涉及結構建模、參數優化、性能驗證等核心環節，無需深厚軟件基礎即可參與學習。
本課程講解VirtualLab Fusion在微結構仿真中的應用方法，為微結構加工提供可靠的仿真支撐與理論依據。加工方面主要介紹微納加工工藝選型、加工參數把控及質量檢測等內容，呈現微結構從仿真設計到實際加工的完整技術思路。
展開 光 · 學堂 | VirtualLab Fusion微納光學設計|光柵與超表面建模及仿真（深圳場）2026/5/28-5/29
本課程使用光之數字模型平臺VirtualLab Fusion，介紹如何使用傅里葉模態法對光柵進行嚴格精確的仿真。課程涵蓋的光柵示例既有表面型光柵，也有全息型體光柵，例如傾斜光柵、閃耀光柵、用于光學超透鏡的Nanopillar結構等。此外還會介紹超表面的設計和參數優化和大角度超光柵仿真。該課程無需軟件基礎。
課程大綱
Course Syllabus
1
VirtualLab Fusion軟件介紹
光之數字模型平臺原理介紹
VirtualLab Fusion用戶界面的基礎操作
2
光柵仿真算法比較
薄元近似法（Thin Element Approximation）
傅里葉模態法（Fourier Modal Method）
周期單元近似法（Periodic Cell Approximation）
3
光柵嚴格分析實例
閃耀光柵
亞波長光柵與偏振轉換
體全息光柵的波長和角度選擇特性
諧振光柵耦合器
4
光柵設計與優化
傾斜光柵結構參數優化
公差分析
蛾眼抗反射結構的設計與優化
高衍射效率偏振無關光柵的優化設計
5
光柵系統級分析
晶圓檢測系統
晶圓雙面光柵圖案的成像分析
共聚焦顯微鏡檢測系統
6
超表面微納結構
超構表面偏振/波長/角度響應分析
超光柵的構建
基于神經網絡的超構透鏡設計
設計和分析超透鏡
基于超構透鏡（PCA）實現聚焦與成像
展開 [VirtualLab] 超透鏡與超表面全息
超透鏡和超表面因其操縱電磁場的獨特特性而在科學上聲名鵲起，如今它們的制造已經變得可行。但它們的設計難度遠遠超過了傳統鏡片，因為必須考慮到納米級構件的特性。
VirtualLab Fusion的優勢
? 統一的平臺：具有將納米級構建模塊和大尺寸復合透鏡/表面作為整體的求解器
? 從Zemax中導入功能型設計，或通過公式直接定義
? 內置了嚴格的傅里葉模態法（FMM），也稱為嚴格耦合波法（RCWA），包含完全矢量信息
? 應用便捷的圖形用戶界面來設置納米構建模塊，比如典型的納米片（Nanofin）和納米柱（Nanopillar）
? 查找表的概念將嚴格的構建模塊分析結果與大尺寸超透鏡/表面建模相聯系
超透鏡
? 超透鏡的功能特性可以通過多項式系數來具體表示，比如從Zemax中導入。
? 仿真可以在不同的層面上進行：可以基于理想模型進行仿真，也可以直接結合納米構建模塊特性進行仿真。
? 靈活地將超透鏡與其他元件一起包含在一個光學系統中。
超全息圖
? 傳統的相位全息圖通過在透明基底上刻蝕不同的深度來實現相位輪廓，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建模塊的超表面來實現。
? 使用超表面構建模塊，可以以一種直接的方式設計高數值孔徑全息圖。
納米片（Nanofin）構建模塊
? Nanofin結構的工作原理是基于雙折射原理。它的相位操縱是通過單個Nanofin的旋轉來實現的。
展開 VirtualLab：超透鏡與超表面全息
超透鏡和超表面因其操縱電磁場的獨特特性而在科學上聲名鵲起，如今它們的制造已經變得可行。但它們的設計難度遠遠超過了傳統鏡片，因為必須考慮到納米級構件的特性。
VirtualLab Fusion的優勢
□ 統一的平臺：具有將納米級構建模塊和大尺寸復合透鏡/表面作為整體的求解器
□ 從Zemax中導入功能型設計，或通過公式直接定義
□ 內置了嚴格的傅里葉模態法（FMM），也稱為嚴格耦合波法（RCWA），包含完全矢量信息
□ 應用便捷的圖形用戶界面來設置納米構建模塊，比如典型的納米片（Nanofin）和納米柱（Nanopillar）
□ 查找表的概念將嚴格的構建模塊分析結果與大尺寸超透鏡/表面建模相聯系
超透鏡
□ 超透鏡的功能特性可以通過多項式系數來具體表示，比如從Zemax中導入。
□ 仿真可以在不同的層面上進行：可以基于理想模型進行仿真，也可以直接結合納米構建模塊特性進行仿真。
□ 靈活地將超透鏡與其他元件一起包含在一個光學系統中。
超全息圖
□ 傳統的相位全息圖通過在透明基底上刻蝕不同的深度來實現相位輪廓，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建模塊的超表面來實現。
□ 使用超表面構建模塊，可以以一種直接的方式設計高數值孔徑全息圖。
納米片（Nanofin）構建模塊
□ Nanofin結構的工作原理是基于雙折射原理。它的相位操縱是通過單個Nanofin的旋轉來實現的。
□ 為了實現其作為半波片的功能，必須仔細優化Nanofin的結構參數。
□ 由于雙折射特性，以Nanofin為構建模塊的超透鏡具有偏振敏感性。
納米柱（Nanopillar）構建模塊
□ 由高折射率材料制成的旋轉對稱Nanopillar是另一種常見的超表面構建模塊。
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的獨特特性而在科學上聲名鵲起，如今它們的制造已經變得可行。但它們的設計難度遠遠超過了傳統鏡片，因為必須考慮到納米級構件的特性。
VirtualLab Fusion的優勢
? 統一的平臺：具有將納米級構建模塊和大尺寸復合透鏡/表面作為整體的求解器
? 從Zemax中導入功能型設計，或通過公式直接定義
? 內置了嚴格的傅里葉模態法（FMM），也稱為嚴格耦合波法（RCWA），包含完全矢量信息
? 應用便捷的圖形用戶界面來設置納米構建模塊，比如典型的納米片（Nanofin）和納米柱（Nanopillar）
? 查找表的概念將嚴格的構建模塊分析結果與大尺寸超透鏡/表面建模相聯系
超透鏡
? 超透鏡的功能特性可以通過多項式系數來具體表示，比如從Zemax中導入。
? 仿真可以在不同的層面上進行：可以基于理想模型進行仿真，也可以直接結合納米構建模塊特性進行仿真。
? 靈活地將超透鏡與其他元件一起包含在一個光學系統中。
超全息圖
? 傳統的相位全息圖通過在透明基底上刻蝕不同的深度來實現相位輪廓，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建模塊的超表面來實現。
? 使用超表面構建模塊，可以以一種直接的方式設計高數值孔徑全息圖。
納米片（Nanofin）構建模塊
? Nanofin結構的工作原理是基于雙折射原理。它的相位操縱是通過單個Nanofin的旋轉來實現的。
? 為了實現其作為半波片的功能，必須仔細優化Nanofin的結構參數。
? 由于雙折射特性，以Nanofin為構建模塊的超透鏡具有偏振敏感性。
展開 一種具有自修復功能的兩棲超親水、超親油表面材料
超親水、超親油（即“超雙親”）表面具有自清潔、防污、抗霧、使液體迅速鋪展等功能，在日常生活、醫療、工業生產等方面有著廣泛的應用。然而，目前報道的超雙親表面只能在單一介質環境下工作。例如，在干態空氣環境中具有超雙親性質的表面材料在水中往往會表現出超疏油性質，而不是親油性。因為這些材料一旦被水潤濕，其性能主要取決于附著在表面的液態水層。相反，在水中具有親油性質的表面在干燥狀態和空氣介質中通常表現為超疏水和超親油。在空氣和水介質中均具有超雙親（即“兩棲” 超雙親）性質的表面材料報道很少，其制備一直是個挑戰性難題。
最近，澳大利亞迪肯大學（Deakin University）林童教授團隊報道了一種簡單有效的表面處理方法，可使紡織品材料表面具有穩定的“兩棲” 超雙親性質。該團隊采用一種表面涂層技術，將兩種分別帶有親水和親油官能團的化合物涂布于紡織品材料的表面，并進行交聯處理。經過處理的紡織品面料在空氣中表現為優秀的超雙親性質，對水、油和多種有機溶劑的觸角為0°。在水中或完全被水潤濕的條件下，該面料仍然可以使油和不溶性有機溶劑在表面迅速鋪展。該涂層不僅具有良好的牢度，而且可抵御酸堿侵蝕和長時間紫外照射。不僅如此，該涂層還表現出了自修復功能，在被化學侵蝕破壞后，其水下超親油性能可以通過加熱恢復到原的有功能狀態。該團隊進一步證明，這種兩棲超雙親材料在油水分離方面有很大的應用潛力。無論織物在干燥還是潤濕狀態，都表現出了穩定的吸油能力。
圖1：“兩棲”超雙親表面的處理過程及效果。
詳細結果已發表在近期的《Materials Horizons》（DOI: 10.1039/C8MH00898A）。文章共同第一作者為博士生符思達和周華博士，通訊作者為王紅霞博士和林童教授。
來源：高分子科學前沿
展開 超表面空間板的建模
最近在這一領域提出的一種巧妙的策略是“空間板”：超表面允許在自由空間中模擬比空間板的實際厚度長得多的傳播。例如，這樣的元件可以縮短聚焦透鏡后的距離同時實現聚焦(不改變NA)。在這個例子中，我們展示了由Orad Reshef等人提出的多層超材料的空間板的特性，并研究了其在光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion中的行為。
4，comsol超表面-偏振轉換 ￥2349
本文復現了超表面中偏振轉換型超表面，參考的文獻是《一種超寬帶反射型極化轉換超表面設計》-于惠存，
一種超寬帶反射型極化轉換超表面設計_于惠存.pdf
具體模型如下
在介質板上面鋪有H型金屬片，在介質板下方有一整塊金屬將電磁波完全反射。左旋圓偏光入射到該超表面上，反射光為右旋圓偏光。實現對反射光的一種偏振轉換。
我復現的內容如下
1，x偏振波垂直入射時，仿真了反射波中x偏振分量與y偏振分量的反射系數
2，x極化波入射時，反射波中x分量與y分量的相位差。這里除了comsol，還需要用到matlab才能復現出下圖。具體的matlab代碼及操作步驟在下方的付費內容里有。
3，x極化波入射時，反射波的橢圓角，因為反射波既有x分量，又有y分量，所以反射波是個橢圓波，該橢圓的橢圓角=短半軸/上長半軸，計算橢圓角需要用到matlab。論文給出了橢圓角的計算公式如下
4，x極化波入射角改變時，反射波的橢圓角如下
可以看到我的結果與論文有點不同，這是因為作者用的是CST仿真的，而我用的是comsol。
5，不再是x極化波入射，而是與y軸和x軸有一定夾角的u波v波入射，得到反射波中u波和v波的反射系數ruu,rvu,rvv,rvu及反射系數的相位差如下。
下面是付費內容，包含comsol模型（5.6版）和matlab代碼（2018版）。并有一份ppt詳細介紹了如何將comsol算出的結果導入到matlab中繪制出論文的圖。
展開 