手性超表面仿真的案例
基于CST的手性全介質超表面復現
當引入手性這一物理屬性時，手性 BIC 呈現出更為精妙和獨特的物理圖景。手性在物理學中體現了物體與其鏡像不能重合的特性，在光學領域，手性物質對左、右旋圓偏振光具有不同的響應。對于手性 BIC 而言，手性結構與光的相互作用引發了一系列新奇的現象。例如，在微納結構中，手性 BIC 的存在導致圓偏振光的局域態密度發生顯著變化，進而產生具有強烈手性選擇性的光散射和吸收特性。
深入研究手性 BIC 的物理本質，無論是對于完善我們對光-物質相互作用基本原理的理解，還是對于開發新型手性光學元件、手性量子光學體系以及高靈敏度手性檢測技術等應用方向，都具有至關重要的意義。本文將對Alu教授的一篇題為“Chiral Quasi-Bound States in the Continuum”的手性BIC工作進行復現解析，從理論建模到數值模擬，體會BIC對于手性增強的基本原理。復現工具采用的是CST。
圖一
文章給出的結構如圖一所示，周期性單元由兩個二聚體組成，二聚體之間存在著一定的旋轉夾角90°。每個二聚體由兩個橢圓柱構成，橢圓柱之間也存在著夾角。當兩個橢圓柱不存在高度差時（圖1b），結構不具有手性，LCP和RCP的響應完全一致，如d圖所示。當引入高度差，即打破Z方向的鏡像對稱平面時，結構會產生巨大的手性響應，如圖1g和1h所示，可以達到完美的圓二色性（CD=1）。
首先，對結構進行建模，注意幾個角度設置正確。
首先來看兩種旋性的透射譜，在歸一化波長為4的位置出現了極強的手性共振。
同樣，反射譜也具有同樣的性質
有需要模型的小伙伴歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
展開 基于CST計算金屬超表面中的外在手性BIC
Eleven
近年來，BIC在增強手性方面受到了廣泛關注，基于BIC的手性共振具有巨大圓二色性，高Q的特性，區別于傳統的手性結構中的手性共振響應。基于BIC實現的手性共振大多基于全介質結構，這里利用CST軟件去復現一篇金屬超表面中的外在手性BIC，題目為“Observation of Giant Extrinsic Chirality Empowered by Quasi-Bound States in the Continuum”。
結構是將金屬雙開口環刻蝕在介質板上構成的超表面，共振頻率位于微波段，如下圖所示。當打破結構對稱性后會產生一個的準BIC，進一步在斜入射下會產生巨大的手性。
圖1：金屬開口環超表面
圖2：手性透射譜
在CST仿真中我們選擇頻域求解器，介質板介電常數為2.2，損耗正切角設為0.009，金屬選擇銅。具體參數設置如下圖所示：
圖3：建模
圖4：介質板參數設置
邊界條件選為unit cell，如下圖所示，z方向設為open/open add space都可。布洛赫波這里選取兩個模式LCP和RCP，如下圖所示。注意：選取unit cell邊界條件后會自動生成端口，無需再添加。Zmax對應上端口，zmin對應下端口。在邊界條件中設置入射角度為theta。計算之后可以得到LCP和RCP入射下的S參數
圖4：邊界條件設置
圖4：激勵條件和入射角度設置
圖5：計算的手性透射譜
具體仿真模型和指導歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
展開 中科院聲學所張晗《EML》：可重構手性雙螺旋復合水下吸聲超表面
近年來，聲學超表面結構的發展使得將螺旋型吸聲結構應用到實際中實現低頻吸聲成為可能。
圖1 生物螺旋與螺旋樓梯
近日，張晗副研究員項目組在生物螺旋結構的啟發下，圍繞水下低頻吸聲難以實現的科學問題，攻克傳統水下吸聲材料在低頻區域吸聲性能差且笨重的應用難題。項目組在此前提出手性螺旋功能基元的基礎上完成了雙螺旋高階鏡像拼接的復合功能基元設計，徹底打破基元結構對稱性，進一步獲得了更高性能的水下低頻吸聲超表面，工作發表在國際期刊Extreme Mechanics Letters。文章題為 “Reconfigurable spiral underwater sound-absorbing metasurfaces”,以手性螺旋的構型參數和雙螺旋序列的拼接方式為切入點，基于廣義Snell定律的聲超表面波控設計方法，通過增長螺旋、高階螺旋、順向拼接雙螺旋、鏡像拼接雙螺旋逐步破壞序元空間對稱性，達到了原有手性螺旋基元不能實現的更加低頻寬帶的完美吸聲效果，為高性能水下聲隱身提供了新機理、新途徑。該研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省“珠江人才計劃”引進創新創業團隊項目的支持。
螺旋吸聲器的模型
首先介紹了吸聲器螺旋單元結構。螺旋吸聲單元由空心圓柱和纏繞在其四周的螺旋路徑組成。將設計好的螺旋吸聲器放入波導進行吸聲特性研究，波導的兩端是開放的且均為平面波輻射邊界條件，所有邊界在聲學上設置為剛性，聲波從左側入射。聲波在螺旋單元的入口基于廣義Snell定律相位調控被完成吸收，在出口又由于聲阻抗失配被完全阻擋，實現近乎完美的寬頻吸聲。
圖2所示為螺旋吸聲器的模型。
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。
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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。
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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 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 
