超表面芯片的案例
[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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)多項(xiàng)式系數(shù)來(lái)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(guò)在透明基底上刻蝕不同的深度來(lái)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(guò)具有空間變化的納米尺度構(gòu)建模塊的超表面來(lái)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(guò)單個(gè)Nanofin的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
展開(kāi) 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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)多項(xiàng)式系數(shù)來(lái)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(guò)在透明基底上刻蝕不同的深度來(lái)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(guò)具有空間變化的納米尺度構(gòu)建模塊的超表面來(lái)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(guò)單個(gè)Nanofin的旋轉(zhuǎn)來(lái)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。
納米柱（Nanopillar）構(gòu)建模塊
□ 由高折射率材料制成的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱Nanopillar是另一種常見(jiàn)的超表面構(gòu)建模塊。
展開(kāi) 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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)多項(xiàng)式系數(shù)來(lái)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(guò)在透明基底上刻蝕不同的深度來(lái)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(guò)具有空間變化的納米尺度構(gòu)建模塊的超表面來(lái)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(guò)單個(gè)Nanofin的旋轉(zhuǎn)來(lái)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(kāi) 一種具有自修復(fù)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(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)等方面有著廣泛的應(yīng)用。然而，目前報(bào)道的超雙親表面只能在單一介質(zhì)環(huán)境下工作。例如，在干態(tài)空氣環(huán)境中具有超雙親性質(zhì)的表面材料在水中往往會(huì)表現(xiàn)出超疏油性質(zhì)，而不是親油性。因?yàn)檫@些材料一旦被水潤(rùn)濕，其性能主要取決于附著在表面的液態(tài)水層。相反，在水中具有親油性質(zhì)的表面在干燥狀態(tài)和空氣介質(zhì)中通常表現(xiàn)為超疏水和超親油。在空氣和水介質(zhì)中均具有超雙親（即“兩棲” 超雙親）性質(zhì)的表面材料報(bào)道很少，其制備一直是個(gè)挑戰(zhàn)性難題。
最近，澳大利亞迪肯大學(xué)（Deakin University）林童教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種簡(jiǎn)單有效的表面處理方法，可使紡織品材料表面具有穩(wěn)定的“兩棲” 超雙親性質(zhì)。該團(tuán)隊(duì)采用一種表面涂層技術(shù)，將兩種分別帶有親水和親油官能團(tuán)的化合物涂布于紡織品材料的表面，并進(jìn)行交聯(lián)處理。經(jīng)過(guò)處理的紡織品面料在空氣中表現(xiàn)為優(yōu)秀的超雙親性質(zhì)，對(duì)水、油和多種有機(jī)溶劑的觸角為0°。在水中或完全被水潤(rùn)濕的條件下，該面料仍然可以使油和不溶性有機(jī)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(zhǎng)時(shí)間紫外照射。不僅如此，該涂層還表現(xiàn)出了自修復(fù)功能，在被化學(xué)侵蝕破壞后，其水下超親油性能可以通過(guò)加熱恢復(fù)到原的有功能狀態(tài)。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(yīng)用潛力。無(wú)論織物在干燥還是潤(rùn)濕狀態(tài)，都表現(xiàn)出了穩(wěn)定的吸油能力。
圖1：“兩棲”超雙親表面的處理過(guò)程及效果。
詳細(xì)結(jié)果已發(fā)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(dá)和周華博士，通訊作者為王紅霞博士和林童教授。
來(lái)源：高分子科學(xué)前沿
展開(kāi) 
超表面空間板的建模
最近在這一領(lǐng)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(shí)際厚度長(zhǎng)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(shí)實(shí)現(xiàn)聚焦(不改變NA)。在這個(gè)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(xué)建模和設(shè)計(jì)軟件VirtualLab Fusion中的行為。
10，comsol超表面-仿真石墨烯 ￥2395
此時(shí)可以選擇舍棄求相對(duì)介電常數(shù)，直接在comsol中設(shè)置石墨烯為表面電流密度，在這個(gè)設(shè)置中就只需要用到石墨烯的電導(dǎo)率，不需要石墨烯的厚度參數(shù)。
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(mén).pdf
下面是我重復(fù)的結(jié)果展示（盡管文章給了石墨烯厚度，但沒(méi)給出從電導(dǎo)率到相對(duì)介電常數(shù)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(jié)果一樣，細(xì)看就會(huì)發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)不同。原因源自兩方面，1，作者用的FDTD，我用的comsol。2，為了節(jié)省時(shí)間，網(wǎng)格并沒(méi)有畫(huà)的很密。
本文的仿真難點(diǎn)
復(fù)現(xiàn)該文的難點(diǎn)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(shè)置兩束光，同時(shí)設(shè)置兩束光后，是用S參數(shù)去求吸收率嗎？可以去試試S參數(shù)求吸收率，看看會(huì)得到什么。如果不能用S參數(shù)求，那該怎么求吸收率？答案在下面的模型中
下面是付費(fèi)內(nèi)容，包含模型如下
展開(kāi) 4，comsol超表面-偏振轉(zhuǎn)換 ￥2349
本文復(fù)現(xiàn)了超表面中偏振轉(zhuǎn)換型超表面，參考的文獻(xiàn)是《一種超寬帶反射型極化轉(zhuǎn)換超表面設(shè)計(jì)》-于惠存，
一種超寬帶反射型極化轉(zhuǎn)換超表面設(shè)計(jì)_于惠存.pdf
具體模型如下
在介質(zhì)板上面鋪有H型金屬片，在介質(zhì)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(shí)現(xiàn)對(duì)反射光的一種偏振轉(zhuǎn)換。
我復(fù)現(xiàn)的內(nèi)容如下
1，x偏振波垂直入射時(shí)，仿真了反射波中x偏振分量與y偏振分量的反射系數(shù)
2，x極化波入射時(shí)，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(fù)現(xiàn)出下圖。具體的matlab代碼及操作步驟在下方的付費(fèi)內(nèi)容里有。
3，x極化波入射時(shí)，反射波的橢圓角，因?yàn)榉瓷洳扔衳分量，又有y分量，所以反射波是個(gè)橢圓波，該橢圓的橢圓角=短半軸/上長(zhǎng)半軸，計(jì)算橢圓角需要用到matlab。論文給出了橢圓角的計(jì)算公式如下
4，x極化波入射角改變時(shí)，反射波的橢圓角如下
可以看到我的結(jié)果與論文有點(diǎn)不同，這是因?yàn)樽髡哂玫氖荂ST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(shù)ruu,rvu,rvv,rvu及反射系數(shù)的相位差如下。
下面是付費(fèi)內(nèi)容，包含comsol模型（5.6版）和matlab代碼（2018版）。并有一份ppt詳細(xì)介紹了如何將comsol算出的結(jié)果導(dǎo)入到matlab中繪制出論文的圖。
展開(kāi) 超表面計(jì)量學(xué)的光學(xué)屬性
光學(xué)超表面（MS）是一種新型的平面光學(xué)元件，由于其緊湊性、多功能性以及設(shè)備集成性的優(yōu)點(diǎn)，正深刻變革著光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。本期文章將介紹現(xiàn)有的用于超表面檢測(cè)的光學(xué)計(jì)量技術(shù)，包括振幅、偏振、定量相位測(cè)量以及疊層成像等 ，最后討論了超表面在光學(xué)計(jì)量中的應(yīng)用以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
引言
過(guò)去十年間，平面結(jié)構(gòu)化光學(xué)界面（即超表面）發(fā)展迅猛。超表面本質(zhì)上是平面器件，可借助半導(dǎo)體制造工具和設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，有望實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)制造以及與光電子系統(tǒng)集成。盡管超表面發(fā)展前景廣闊，但實(shí)現(xiàn)工業(yè)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)。其中，確保制造出的超表面達(dá)到設(shè)計(jì)階段預(yù)期的光學(xué)性能至關(guān)重要，且這一要求需在高產(chǎn)量條件下達(dá)成，即同一晶圓上生產(chǎn)的數(shù)千個(gè)器件都要滿足性能標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體行業(yè)通過(guò)在制造過(guò)程中進(jìn)行多次連續(xù)和并行測(cè)量來(lái)解決類似問(wèn)題，因此，超表面光學(xué)元件的工業(yè)化生產(chǎn)也需要適配的先進(jìn)計(jì)量技術(shù)，以推動(dòng)其性能提升，加速系統(tǒng)集成和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程。此外，當(dāng)成功制造超表面后，仍需專用光學(xué)計(jì)量技術(shù)來(lái)驗(yàn)證其光學(xué)特性，而且，超表面集成到系統(tǒng)和復(fù)雜器件中時(shí)，也需要測(cè)量來(lái)保證最終產(chǎn)品符合規(guī)格。因此，無(wú)論是超表面元件還是完整系統(tǒng)，都需要計(jì)量和驗(yàn)證測(cè)試。
超表面原理
超表面是由納米結(jié)構(gòu)元素組成的，這些元素位于分隔兩種介質(zhì)的界面處。這些納米結(jié)構(gòu)可用于控制透射光和反射光的光學(xué)特性。超表面的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)在納米結(jié)構(gòu)處對(duì)入射光產(chǎn)生相移來(lái)實(shí)現(xiàn)波前控制。傳統(tǒng)的應(yīng)用包括可以實(shí)現(xiàn)光任意角度偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)器、具有聚光功能的超透鏡、可以投影用戶定義的強(qiáng)度分布的全息圖等。而實(shí)現(xiàn)相移的方法可以歸結(jié)為三種類型：
1） 傳播相位型：該種方法利用高縱橫比的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)充當(dāng)小波導(dǎo)，通過(guò)控制結(jié)構(gòu)的有效折射率，即通過(guò)控制圓柱直徑，來(lái)控制相同高度柱體透射的相位延時(shí)，其示意圖如圖1（a）所示。
2） 諧振相位型：該種方法依賴由米氏共振引起光的激發(fā)和散射。其示意圖如圖1（b）所示。
展開(kāi) [VirtualLab] 超表面空間板的建模
最近在這一領(lǐng)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(shí)際厚度長(zhǎng)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(shí)實(shí)現(xiàn)聚焦(不改變NA)。在這個(gè)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(xué)建模和設(shè)計(jì)軟件VirtualLab Fusion中的行為。
建模任務(wù)
建模技術(shù)的單平臺(tái)互操作性
當(dāng)光在系統(tǒng)中傳播時(shí)，它將與不同的元件相遇并相互作用。系統(tǒng)的每個(gè)元件都需要一個(gè)在精度和速度之間提供良好折衷的合適模型：
? 自由空間傳播
? 空間板
? 探測(cè)器
連接建模技術(shù)：自由空間傳播
? 自由空間傳播
? 空間板
? 探測(cè)器
可用的自由空間傳播建模技術(shù):
由于向焦點(diǎn)的傳播必須包含衍射效應(yīng)才能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，因此選擇傅里葉域技術(shù)作為模擬速度和精度之間的良好折衷。
連接建模技術(shù)：分束器
? 自由空間傳播
? 空間板
? 探測(cè)器
分束器可用的建模技術(shù):
由于S矩陣求解器完全在k域中運(yùn)行，因此在應(yīng)用該求解器時(shí)不需要在域之間切換(傅里葉變換)的額外步驟。這是允許最快的模擬速度，同時(shí)保持嚴(yán)格的模型。
展開(kāi) JCMsuite應(yīng)用：介質(zhì)超表面的仿真
這是一個(gè)簡(jiǎn)單但常見(jiàn)的超原子結(jié)構(gòu)的案例：襯底上包含一個(gè)納米圓盤(pán)的雙重周期方形晶格。示例和參數(shù)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(gè)位于基板上的圓盤(pán)(或圓柱體)，被背景材料包圍。本案例中的材料根據(jù)參考文獻(xiàn)選擇為硅(圓盤(pán))、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(jì)算近場(chǎng)分布。
下圖所示為垂直入射平面波的波長(zhǎng)為550nm時(shí)所顯示的近場(chǎng)和強(qiáng)度分布：
散射體外的場(chǎng)矢量和強(qiáng)度分布
兩個(gè)平面上的p偏光的場(chǎng)矢量以幾何形式疊加
后處理傅里葉變換(Fourier Transform)計(jì)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(jì)算散射量。
光譜特性
在參考文獻(xiàn) [1]中，對(duì)透射光譜進(jìn)行了調(diào)整以提供顏色過(guò)濾。腳本data_analysis/run_scan_illumination.py的目的是重現(xiàn)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(yīng)的相位。對(duì)于一個(gè)給定的結(jié)構(gòu)，我們從瓊斯矩陣中得到這個(gè)相位，這個(gè)矩陣是由后處理散射矩陣(ScatteringMatrix.)計(jì)算出來(lái)的。這為任意兩個(gè)線性獨(dú)立入射場(chǎng)的透射階的p和s偏振分量產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)透射系數(shù)。它的相位是透射波相對(duì)于入射波的相移。雖然絕對(duì)相位很少引起人們的興趣，但它對(duì)原子參數(shù)和入射光的變化關(guān)系通常是令人感興趣的。
展開(kāi) 超逼真的表面張力模擬！ （轉(zhuǎn)載）
由北京大學(xué)陳寶權(quán)教授研究團(tuán)隊(duì)與北京電影學(xué)院未來(lái)影像高精尖創(chuàng)新中心、達(dá)特茅斯學(xué)院、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)合作，提出全新的模擬框架處理帶表面張力的流固強(qiáng)耦合， 能夠精確模擬各種與表面張力相關(guān)的物理過(guò)程。本文入選了 SIGGRAPH 2021論文 Trailer（精選預(yù)告片），將在計(jì)算機(jī)動(dòng)漫節(jié) Computer Animation Festival (CAF) 上播放，并在 SIGGRAPH 主頁(yè)推薦。
1 簡(jiǎn)介
樹(shù)葉落在水面上泛起陣陣漣漪，密度比水大的回形針卻能漂浮在水面上，這些現(xiàn)象的背后有一個(gè)共同原因——表面張力?，F(xiàn)有的物理模擬技術(shù)能夠單獨(dú)模擬流體和固體，但是想要在屏幕上重現(xiàn)表面張力的作用時(shí)，我們需要搭建一個(gè)全新的模擬框架。
在這篇文章中，我們使用顯式三角網(wǎng)格表示流體表面的薄層，并在薄層中建立表面張力模型，然后采用統(tǒng)一的模擬框架將流體、流體表面層和固體三者耦合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)表面張力驅(qū)動(dòng)的流固耦合模擬。在這個(gè)框架下，我們可以模擬一些之前不能實(shí)現(xiàn)的表面張力效果：密度大于水的物體漂浮在水面上，水面上的物體相互吸引（甜麥圈效應(yīng)），以及表面張力不足以支撐物體后的水面破碎效果。
2 表面張力
表面張力原理圖，來(lái)自wikipedia
表面張力指的是流體表面會(huì)盡可能收縮的趨勢(shì)。微觀原理上是因?yàn)榱黧w表面的分子密度比流體內(nèi)部的分子密度更為稀疏，因而表面分子之間的平均距離更大，所以分子間的相互作用表現(xiàn)為一種吸引力。從宏觀上來(lái)講，我們可以定義一個(gè)表面張力勢(shì)能：
其中 是流體表面的面積， 稱為表面張力系數(shù)。當(dāng)流體與固體發(fā)生作用時(shí)，流體表面的分子同時(shí)會(huì)受到固體分子的作用，從而將表面張力作用在固體上。固體根據(jù)表面特性不同可以分為親水和疏水兩類，疏水材質(zhì)在水面上會(huì)受到向上的表面張力作用，對(duì)于一些細(xì)小的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)這個(gè)力要比浮力更為明顯。
展開(kāi) 
.》: 揭示可切換超疏/超親水智能表面抗菌抗細(xì)菌黏附性的差異和關(guān)聯(lián)
抗菌實(shí)驗(yàn)與ESR測(cè)試結(jié)果顯示(圖2)，與常規(guī)只負(fù)載Ag NPs的方式相比，負(fù)載Ag/AgCl NPs后復(fù)合表面在太陽(yáng)光照射下釋放ROS的效率更高，比Ag NPs展現(xiàn)出更顯著的增效作用，且僅負(fù)載3.66 μg cm-2的Ag/AgCl NPs就可以使復(fù)合材料對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌率分別達(dá)到98.65%和99.15%以上，Ag/AgCl NPs負(fù)載后能顯著增強(qiáng)復(fù)合材料表面在太陽(yáng)光照下釋放ROS的抗菌效率。
圖2：TNTs/Ti@Ag(10)@FAS和TNTs/Ti@Ag/AgCl(10)@FAS材料表面的抗菌性
2. 可切換超疏/超親水智能表面的抗菌和抗細(xì)菌黏附性有何差異和關(guān)聯(lián)？
利用TiO2光致親水特性，構(gòu)建出了通過(guò)紫外光照/暗儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)超疏水/超親水可逆轉(zhuǎn)變的智能材料表面；研究發(fā)現(xiàn)：超疏水轉(zhuǎn)變至親水TNTs/Ti@Ag/AgCl(1)@FAS材料表面對(duì)大腸桿菌的抗菌率由82.9%上升至94.6%，對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌率由78.9%上升至88.4%。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了Ag+在疏/親水表面釋放的過(guò)程及差異，揭示了氟硅烷分子對(duì)水分子的排斥效應(yīng)以及羥基基團(tuán)的親水作用是造成Ag+在疏/親水表面釋放差異的內(nèi)在原因(圖3)。研究還發(fā)現(xiàn)，超疏狀態(tài)下，復(fù)合表面展現(xiàn)出出色的疏水/疏油性和低表面黏附力，使細(xì)菌難以黏附在表面，并且表面形成的空氣層能夠阻隔細(xì)菌，在主動(dòng)殺菌機(jī)制的協(xié)同作用下對(duì)大腸桿菌和金葡的抗細(xì)菌黏附率達(dá)到99.47%和98.50%。超親水狀態(tài)下，親水表面形成的水化層能起到阻隔細(xì)菌的作用，在主動(dòng)殺菌機(jī)制的協(xié)同作用下，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗細(xì)菌黏附率也分別達(dá)到97.86%和90.42%。
展開(kāi) Comsol 鋼管表面裂紋超聲波檢測(cè)
使用COMSOL進(jìn)行鋼管表面裂紋超聲波檢測(cè)的一般步驟：
1. 建立幾何模型：使用COMSOL的幾何建模工具創(chuàng)建鋼管的三維模型?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況定義鋼管的尺寸、形狀和裂紋的位置。
2. 定義材料特性：為鋼管和裂紋定義適當(dāng)?shù)牟牧咸匦?，例如彈性模量、泊松比和密度等。這些參數(shù)將用于聲學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的仿真計(jì)算。
3. 設(shè)置物理場(chǎng)：選擇COMSOL中的聲學(xué)物理場(chǎng)和結(jié)構(gòu)力學(xué)物理場(chǎng)模塊，將它們耦合起來(lái)以模擬超聲波在鋼管中的傳播和反射過(guò)程。
4. 定義邊界條件：設(shè)置超聲波的入射角度、頻率和振幅等參數(shù)，并將其作為邊界條件施加在鋼管模型的表面。可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的邊界條件。
5. 運(yùn)行仿真：使用COMSOL的求解器運(yùn)行仿真計(jì)算，模擬超聲波在鋼管中的傳播和與裂紋的相互作用。仿真計(jì)算將提供超聲波信號(hào)的響應(yīng)和分布。
6. 分析結(jié)果：通過(guò)分析仿真結(jié)果中的超聲波信號(hào)特征，例如幅值、時(shí)間延遲和波形等，可以確定表面裂紋的位置、大小和性質(zhì)。COMSOL提供了豐富的后處理工具，用于可視化和分析仿真結(jié)果。
一、搭建模型
二、網(wǎng)格劃分
存在裂紋
無(wú)裂紋
傳播至裂紋處
裂紋處反射回波接受時(shí)刻
有需要源文件和講解視頻的可以與我們聯(lián)系，優(yōu)惠不斷；
為方便交流學(xué)習(xí)，大家如果有好的案例可以提供給我們，我們支付費(fèi)用，或者交換同等難度案例；
展開(kāi) [NEWSLETTER] 多層超表面空間板的模擬
我們將介紹多層超表面空間板的模擬（由 O. Reshef 等人在他們的論文“An optic to replace space and its application towards ultra-thin imaging systems.”, Nat. Commun.12, 3512 [2021]中提出的）：一個(gè)平面部件，能夠復(fù)制比部件實(shí)際物理厚度更長(zhǎng)的自由空間傳播步長(zhǎng)的響應(yīng)。
光學(xué)建模和設(shè)計(jì)軟件 VirtualLab Fusion 在單一軟件平臺(tái)上提供了豐富的可互操作建模技術(shù)，使我們能夠?yàn)榭臻g板的多層結(jié)構(gòu)選擇嚴(yán)格的S矩陣算法，并將其與其他方法（如自由空間傳播或任何其他元件的方法）相結(jié)合，在精度和速度之間取得完美平衡，完成整個(gè)系統(tǒng)的仿真。
利用多層超表面制作空間板模型
分層超材料（"空間板"）用于模仿自由空間中比元件實(shí)際厚度長(zhǎng)得多的傳播，同時(shí)保持原始光學(xué)系統(tǒng)的成像特性。
分層介質(zhì)元件
本用例介紹了分層介質(zhì)元件，并概述了其選項(xiàng)、設(shè)置和電磁場(chǎng)求解器。
展開(kāi) JCMsuite應(yīng)用：介質(zhì)超表面的仿真
這是一個(gè)簡(jiǎn)單但常見(jiàn)的超原子結(jié)構(gòu)的案例：襯底上包含一個(gè)納米圓盤(pán)的雙重周期方形晶格。示例和參數(shù)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(gè)位于基板上的圓盤(pán)(或圓柱體)，被背景材料包圍。本案例中的材料根據(jù)參考文獻(xiàn)選擇為硅(圓盤(pán))、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(jì)算近場(chǎng)分布。
下圖所示為垂直入射平面波的波長(zhǎng)為550nm時(shí)所顯示的近場(chǎng)和強(qiáng)度分布：
散射體外的場(chǎng)矢量和強(qiáng)度分布
兩個(gè)平面上的p偏光的場(chǎng)矢量以幾何形式疊加
后處理傅里葉變換(Fourier Transform)計(jì)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(jì)算散射量。
光譜特性
在參考文獻(xiàn) [1]中，對(duì)透射光譜進(jìn)行了調(diào)整以提供顏色過(guò)濾。腳本data_analysis/run_scan_illumination.py的目的是重現(xiàn)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(yīng)的相位。對(duì)于一個(gè)給定的結(jié)構(gòu)，我們從瓊斯矩陣中得到這個(gè)相位，這個(gè)矩陣是由后處理散射矩陣(ScatteringMatrix.)計(jì)算出來(lái)的。這為任意兩個(gè)線性獨(dú)立入射場(chǎng)的透射階的p和s偏振分量產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)透射系數(shù)。它的相位是透射波相對(duì)于入射波的相移。雖然絕對(duì)相位很少引起人們的興趣，但它對(duì)原子參數(shù)和入射光的變化關(guān)系通常是令人感興趣的。
下圖描繪了透射系數(shù)的幅值和相位(由于對(duì)稱性，這與偏振性無(wú)關(guān)):
這個(gè)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(huì)影響相位和透射率。
展開(kāi) 