偏振調(diào)控的案例
Zemax案例 | 光束整形技術(shù)及其應(yīng)用
圖1 伽利略型非球面透鏡組整形系統(tǒng)
圖2 實驗裝置
（2）雙折射透鏡組
雙折射透鏡組利用晶體的偏振特性，通過相位差控制實現(xiàn)光束均勻化，其核心設(shè)計在于瓊斯矩陣的光學(xué)傳輸建模與曲率半徑優(yōu)化。楊向通等人[3]通過微調(diào)透鏡組角度，可將光束填充因子從66%提升至80%，而這一過程的仿真驗證可通過Zemax高效完成：
仿真流程：基于論文瓊斯矩陣模型，定義雙折射晶體關(guān)鍵參數(shù)，通過專業(yè)設(shè)計工具搭建模型、模擬偏振調(diào)控過程，優(yōu)化透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)以滿足相位延遲要求。
仿真成果：可模擬雙折射透鏡組的偏振調(diào)控效果，生成光強透射率曲線，驗證填充因子提升效果；同時通過公差分析功能，評估加工誤差對整形效果的影響，為工程化生產(chǎn)提供風(fēng)險預(yù)判。仿真圖（圖3）清晰展示偏振器、雙折射透鏡、空間濾波器的光路布局與光束傳輸特性。
圖3 雙折射透鏡整形系統(tǒng)
（3）衍射光學(xué)元件（DOE）
衍射光學(xué)元件利用光的波動性實現(xiàn)相位與振幅調(diào)控，在小型化、集成化光學(xué)系統(tǒng)中不可或缺。其設(shè)計核心在于通過迭代算法優(yōu)化相位分布，避免局部最優(yōu)解。論文中提到的GS算法、混合遺傳迭代爬山算法等，均可在專業(yè)設(shè)計工具中實現(xiàn)集成應(yīng)用：
仿真流程：輸入入射與目標(biāo)輸出光場參數(shù)，依托論文相關(guān)傅里葉變換理論，通過專業(yè)設(shè)計工具調(diào)用對應(yīng)迭代算法，優(yōu)化DOE相位分布并仿真對比不同算法的整形效果。
仿真成果：龐輝等人[4]利用混合遺傳迭代爬山算法設(shè)計衍射光學(xué)元件，分別利用GS算法和混合算法進(jìn)行模擬，GS算法得到的衍射效率為98.64%，均勻性為3.23%，而混合算法得到的衍射效率為95.41%，均勻性為0.41%。
（4）微透鏡陣列
微透鏡陣列通過分割光束并疊加干涉，實現(xiàn)多模激光的均勻化輸出，其設(shè)計難點在于抑制干涉效應(yīng)、提升能量利用率。
展開 最佳使用案例NO.2–傾斜光柵
在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，可以在各種應(yīng)用領(lǐng)域中找到光柵，如波長分離、光導(dǎo)耦合及相位和/或偏振調(diào)控。 因此，光柵的建模和設(shè)計引起了越來越多的關(guān)注。VirtualLab Fusion及其內(nèi)置的嚴(yán)格傅里葉模態(tài)法（FMM）使其具有非常人性化的用戶界面。在我們的第二份“最佳新聞”通訊中，我們重點介紹傾斜光柵。
用于光導(dǎo)耦合的傾斜光柵的分析
從文獻(xiàn)中選擇了不同的傾斜光柵幾何形狀，具有不同的傾斜角、填充因子和調(diào)制深度，并且使用傅立葉模態(tài)法（FMM）計算衍射效率。
傾斜光柵的高級配置
可在VirtualLab Fusion中輕松配置帶涂層的傾斜光柵。該用例說明了用于自定義傾斜光柵的可用選項。
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在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，可以在各種應(yīng)用領(lǐng)域中找到光柵，如波長分離、光導(dǎo)耦合及相位和/或偏振調(diào)控。 因此，光柵的建模和設(shè)計引起了越來越多的關(guān)注。VirtualLab Fusion及其內(nèi)置的嚴(yán)格傅里葉模態(tài)法（FMM）使其具有非常人性化的用戶界面。
在我們的第二份“最佳新聞”通訊中，我們重點介紹傾斜光柵。
用于光導(dǎo)耦合的傾斜光柵的分析
從文獻(xiàn)中選擇了不同的傾斜光柵幾何形狀，具有不同的傾斜角、填充因子和調(diào)制深度，并且使用傅立葉模態(tài)法（FMM）計算衍射效率。
傾斜光柵的高級配置
可在VirtualLab Fusion中輕松配置帶涂層的傾斜光柵。該用例說明了用于自定義傾斜光柵的可用選項。
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為了營造今年的節(jié)日氣氛，我們決定發(fā)布四份特別新聞通訊，展示我們的“2019年最佳使用案例”。
傾斜光柵的高級配置
從文獻(xiàn)中選擇了不同的傾斜光柵幾何形狀，具有不同的傾斜角、填充因子和調(diào)制深度，并且使用傅立葉模態(tài)法（FMM）計算衍射效率。
醫(yī)療領(lǐng)域雙折射效應(yīng)分析遇瓶頸？OAS 光學(xué)軟件開辟新徑
Maltese 測試儀案例分析
簡介
馬耳他十字現(xiàn)象源于雙折射材料在正交放置的線偏振片之間所產(chǎn)生的干涉效應(yīng)。在光學(xué)領(lǐng)域，雙折射是指光線進(jìn)入某些晶體材料時，分解為兩條折射角不同的光線，這種特性廣泛存在于自然界的眾多物質(zhì)之中，如浮游生物、淀粉粒子和脂肪粒子等。通過對馬耳他十字現(xiàn)象的觀測與分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對這些具有雙折射特性樣本的快速且簡易識別，在生物研究、材料分析等多個學(xué)科領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。
實驗設(shè)置與操作
參數(shù)配置
在本案例的仿真過程中，采用特定的光學(xué)元件組合與光源設(shè)置。光源采用線偏左旋 90° 的平行光源，該光源具備高度平行性與特定偏振方向的特性，為后續(xù)光學(xué)現(xiàn)象的產(chǎn)生提供穩(wěn)定的初始條件。
布置水平偏振器，其作用是篩選光線，僅允許水平方向偏振的光線通過，以此對光源發(fā)出的光線進(jìn)行初步的偏振調(diào)控。在透鏡之后則設(shè)置垂直偏振器，與水平偏振器呈正交取向，用于進(jìn)一步限制光線的偏振方向。整套光學(xué)元件的布置，構(gòu)建出了能夠產(chǎn)生馬耳他十字現(xiàn)象的光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)框架。
仿真過程
運用 OAS 光學(xué)軟件，基于設(shè)定的光學(xué)元件與光源條件，對光線進(jìn)行精確追跡。光線從線偏左旋 90° 的平行光源發(fā)出后，經(jīng)過水平偏振器的篩選，僅水平偏振的光線得以繼續(xù)傳播。
這些光線隨后通過透鏡，在透鏡的作用下改變傳播方向與聚焦特性。當(dāng)光線傳播至垂直偏振器時，由于雙折射效應(yīng)以及正交偏振器的作用，光線在傳播過程中發(fā)生干涉現(xiàn)象。
OAS 光學(xué)軟件依據(jù)光線傳播的物理規(guī)律，對光線在各個光學(xué)元件中的傳播路徑、偏振態(tài)變化以及干涉過程進(jìn)行詳細(xì)的計算與模擬，從而完整呈現(xiàn)光線在整個光學(xué)系統(tǒng)中的行為。
展開 光刻技術(shù)第5期 | 二維矢量光刻成像
當(dāng)制程節(jié)點邁入5nm及以下的精微領(lǐng)域，芯片關(guān)鍵尺寸已逼近原子級別，傳統(tǒng)標(biāo)量成像理論因無法精準(zhǔn)捕捉光的偏振特性對成像精度的影響，已難以滿足關(guān)鍵尺寸均勻性（CDU）的嚴(yán)苛要求，制程升級陷入瓶頸。
在此背景下，二維矢量光刻成像模型應(yīng)勢而生，憑借對矢量光場與偏振像差的精準(zhǔn)把控，成功突破衍射極限，成為先進(jìn)邏輯芯片制造的核心技術(shù)支撐，為7nm、5nm乃至3nm制程的落地注入強勁動力，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。
矢量光刻成像模型
二維矢量光刻成像流程簡潔高效且精準(zhǔn)可控，每一步都經(jīng)過嚴(yán)苛的技術(shù)打磨：光源經(jīng)定制化照明系統(tǒng)進(jìn)行勻光、偏振調(diào)控后，均勻照射在高精度掩模上，掩模上的二維圖形會對入射光進(jìn)行選擇性衍射；衍射出的光進(jìn)入高數(shù)值孔徑物鏡系統(tǒng)后，系統(tǒng)會在入瞳與出瞳處通過特殊光學(xué)結(jié)構(gòu)完成偏振態(tài)、相位及振幅的精準(zhǔn)調(diào)控，濾除無效雜光，保留有效成像光；最終，經(jīng)過調(diào)控的光在硅片像面精準(zhǔn)匯聚，實現(xiàn)高保真成像。
整個過程中，掩模圖形的最終成像光強，由不同照明出瞳點照射形成的像光強疊加而成，這種疊加機制確保了即使在大視場曝光場景下，圖形的邊緣精度與內(nèi)部均勻性也能得到雙重保障，有效避免了傳統(tǒng)光刻中“邊緣模糊、中心失真”的問題。
02/構(gòu)造模型
1.物方衍射遠(yuǎn)場：
采用傅里葉變換技術(shù)，將掩模表面復(fù)雜的光場分布轉(zhuǎn)化為物方衍射遠(yuǎn)場Efar，分離不同偏振方向的光場分量特征。而近場光場的形成直接與入射照明光的偏振態(tài)有關(guān)，通過提前調(diào)控照明光偏振方向，可針對性強化關(guān)鍵圖形的光場信號。這一技術(shù)使掩模光場的捕捉精度達(dá)到0.1nm級別，即使面對納米級的掩模圖形細(xì)節(jié)，也能完整保留光場特征，為后續(xù)成像奠定了極致精準(zhǔn)的基礎(chǔ)。
展開 光刻技術(shù)第6期 | 三維嚴(yán)格矢量光刻成像
三維偏振像差調(diào)控技術(shù)通過建立“視場-深度”二維偏振像差映射模型，采用瓊斯矩陣張量表征偏振態(tài)的三維演化規(guī)律，結(jié)合全視場多目標(biāo)優(yōu)化算法，實現(xiàn)偏振像差的定量分離與動態(tài)校正。創(chuàng)新偏振-光瞳協(xié)同優(yōu)化策略，在3D NAND堆疊圖形中，將偏振像差導(dǎo)致的CD偏差從12nm降至3nm以內(nèi)。
此外，面向3nm及以下節(jié)點，構(gòu)建EUV光刻專屬三維矢量模型，深化極紫外光與多層掩模的矢量相互作用機制研究。針對垂直堆疊結(jié)構(gòu)，開發(fā)“深度-偏振-劑量”多維度耦合優(yōu)化模型，實現(xiàn)亞納米級CD均勻性控制。
通過推進(jìn)AI與物理驅(qū)動建模的深度融合，利用Transformer架構(gòu)捕捉三維光場長距離依賴關(guān)系，結(jié)合FPGA硬件加速實現(xiàn)毫秒級動態(tài)光場仿真。探索數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用，搭建光刻過程虛實映射系統(tǒng)，實現(xiàn)三維模型參數(shù)的實時自適應(yīng)調(diào)整。
展開 AI賦能超表面設(shè)計 | 突破光學(xué)設(shè)計局限
原文信息
原文標(biāo)題：“AI for optical metasurface”
第一作者：Akira Ueno、Juejun Hu、Sensong An
超表面的特性與商業(yè)化需求
作為一種由亞波長單元構(gòu)成的二維人造材料陣列結(jié)構(gòu)，超表面能夠憑借特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計與排列，實現(xiàn)對光波相位、振幅和偏振的有效調(diào)控。歷經(jīng)多年發(fā)展，超表面正逐步從實驗室邁向商業(yè)市場。要達(dá)成這一轉(zhuǎn)變，需要更先進(jìn)準(zhǔn)確的超表面單元設(shè)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(xué)性能。那么，超表面怎樣才能 “走進(jìn)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(shè)計突破局限
當(dāng)前，超表面單元設(shè)計廣泛采用的方法以周期性邊界條件近似假設(shè)為基礎(chǔ)。當(dāng)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(shè)計出符合要求的超表面。但在該框架下，無法設(shè)計出具有大數(shù)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(tǒng)光學(xué)和衍射光學(xué)元件（DOE）的核心優(yōu)勢。
AI與超表面單元設(shè)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)（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(shù)據(jù)集來識別實際邊界條件下不同相鄰單元產(chǎn)生的影響。例如，以目標(biāo)單元和與其最相鄰的八個單元作為輸入，來預(yù)測目標(biāo)單元的響應(yīng)。利用時域有限差分法（FDTD）獲取充足的訓(xùn)練數(shù)據(jù)后，模型能夠充分考慮單元之間的相互耦合，進(jìn)而輸出高效率的超表面單元結(jié)構(gòu)。
AI 應(yīng)對超表面制造與封裝偏差
在超表面的生產(chǎn)制造與封裝過程中，必然會存在偏差，這是超表面設(shè)計中無法回避的問題。
展開 Nature | 超薄非線性量子光源
偏振實驗表明，激發(fā)光和產(chǎn)生的信號光、閑頻光子的偏振都沿著晶體的b軸方向（圖5f）。光子對符合速率與激發(fā)功率的依賴關(guān)系也與理論一致（圖5g，h）。值得說明的是，當(dāng)激發(fā)功率為約59 mW時，實驗探測到的符合速率為86 Hz，考慮探測系統(tǒng)的探測效率后，計算估計的符合速率的品質(zhì)因子高達(dá)9800 GHz W?1m?1，比常見的SPDC材料體系如BBO、LiNbO?等高了數(shù)個量級。另外，作者還在薄至約46nm的薄片上觀察到了明確的SPDC信號，為目前已報道的世界最薄的非線性量子光源。
圖5：基于SPDC的非經(jīng)典參量光子對產(chǎn)生
圖源：Nature 613, 53–59 (2023).
未來展望
作者報道了一種新的二維范德華晶體。一方面，該材料具有可隨層數(shù)擴展的極強的二階非線性光學(xué)效應(yīng)，相比其他已報道的二維材料以及傳統(tǒng)χ(2)晶體，在構(gòu)建小型化、可集成的量子光源以及經(jīng)典和量子光學(xué)調(diào)制器等開辟了一條全新的道路。未來，通過進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)或者結(jié)合諧振結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在如SPDC源亮度以及偏振特性調(diào)控方面還有巨大的可探索空間。
另外，NbOCl?具有的極弱層間電子耦合以及塊體中類單層的顯著激子效應(yīng)等特性，區(qū)別于目前已報道的其他二維材料體系，將為凝聚態(tài)物理研究者，尤其是二維材料研究者提供了一個獨特的研究對象，有望產(chǎn)生一些新的物理。另外，對于二維材料異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建來說，NbOCl?作為一個全新的候選“模塊”，其特性有望帶來一些新的器件概念。
論文信息
Guo, Q., Qi, XZ., Zhang, L. et al.
展開 多層超表面革新 | 簡化傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)
這類材料具備對光線振幅、相位及偏振態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控能力，同時兼具輕薄緊湊的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。隨著研究的持續(xù)深化，光學(xué)超表面已逐步與計算成像、虛擬現(xiàn)實、汽車電子、生物傳感、拓?fù)涔鈱W(xué)等多個前沿領(lǐng)域深度融合，成功構(gòu)建出一系列小型化、多功能集成的光學(xué)組件。下文將結(jié)合通訊作者 Arseniy I. Kuznetsov 的研究視角，系統(tǒng)梳理光學(xué)超表面 “黃金時代” 的發(fā)展脈絡(luò)與核心方向。
超表面的發(fā)展路線（來自原文）
2.超透鏡：超表面的核心應(yīng)用載體與挑戰(zhàn)
作為超表面的重要應(yīng)用形式，超透鏡憑借緊湊的尺寸與高效的光線調(diào)控能力，成為區(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)元件的關(guān)鍵技術(shù)突破口。當(dāng)前，科研人員圍繞超透鏡開發(fā)了多元化應(yīng)用場景，涵蓋光線聚焦、光學(xué)成像、生物傳感、偏振檢測及非線性效應(yīng)產(chǎn)生等領(lǐng)域。在技術(shù)實現(xiàn)路徑上，可通過超表面單元的選型與陣列排布調(diào)控入射平面波前，進(jìn)而達(dá)成光線會聚效果；也可基于幾何相位原理調(diào)整單元旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)對左旋與右旋圓偏振光的差異化調(diào)控；還能通過改變單元結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)調(diào)節(jié)相位，或采用多單元協(xié)同工作的模式滿足復(fù)雜需求。即便面對復(fù)雜的超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計，現(xiàn)有電子束光刻、精密刻蝕、納米壓印等制備技術(shù)也能確保理論方案的實際落地。
超表面的概念、實現(xiàn)與應(yīng)用（來自原文）
回顧超透鏡的研究進(jìn)展，多項突破性成果已相繼涌現(xiàn)：部分研究團隊設(shè)計出數(shù)值孔徑（NA）高達(dá) 0.99 的超透鏡，部分實現(xiàn)了 100° 寬視場下的超透鏡成像功能，還有團隊開發(fā)出具備消色差特性的超透鏡、可完成邊緣檢測的超透鏡陣列，以及用于偏振檢測與成像的專用器件，同時在增強及操縱非線性與量子效應(yīng)的超表面研發(fā)方面也取得顯著進(jìn)展。
展開 新研究：讓超透鏡與MEMS技術(shù)相互融合
超表面（metasurface）是由具有特殊電磁屬性的人工原子按照一定的排列方式組成的二維平面結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對入射光的振幅、相位、偏振等靈活的調(diào)控，具有強大的光場操控能力。與超材料相比，超表面不僅了突破了傳統(tǒng)材料電磁屬性，其二維平面結(jié)構(gòu)還克服超材料三維結(jié)構(gòu)加工難度大等問題，為納米光學(xué)器件集成化，小型化提供便利。
超表面可以組成具有透鏡功能的納米結(jié)構(gòu)，因此便有了超透鏡。起初，超透鏡由哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系教授 Federico Capasso 及其在佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科研小組開發(fā)。不同于傳統(tǒng)透鏡，超透鏡最大優(yōu)點就是：輕薄（厚度為納米級）和小型化。其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)透鏡，并有望徹底顛覆傳統(tǒng)光學(xué)裝置中笨重繁瑣的透鏡組，使得手機攝像頭、眼鏡、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實硬件都變得非常輕薄。
前不久，筆者剛介紹過美國哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科研人員開發(fā)的大面積自適應(yīng)超透鏡（metalens），它有望成為未來的“人造眼”。
（圖片來源：Capasso 實驗室 / Harvard SEAS）
超材料和微機電系統(tǒng)（MEMS）兩項技術(shù)看似無關(guān)，但是科研人員在嘗試將它們結(jié)合。例如，美國杜克大學(xué)科研人員就結(jié)合這兩項技術(shù)，設(shè)計出了首個具有紅外線發(fā)射特性的超穎材料裝置，它不僅能夠顯示出迅速變化的紅外線圖案，還可用于廢熱利用。此外，這種可重構(gòu)的超穎材料還有望應(yīng)用于動態(tài)紅外線光學(xué)隱身斗篷，以及紅外線范圍內(nèi)的負(fù)折射率介質(zhì)。
（圖片來源：參考資料【2】）
創(chuàng)新
近日，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室與哈佛大學(xué)的研究人員進(jìn)行合作，首次將在光通信、生物成像、激光雷達(dá)（LIDAR）系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的兩種技術(shù)：微機電系統(tǒng)（MEMS）和超透鏡結(jié)合到了一起，成功地制造出位于MEMS平臺頂層之上的超透鏡。
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