超表面
關注創(chuàng)建者：周唯 創(chuàng)建時間：2022-02-08
超表面的視頻教程
008 - FDTD窄帶超表面吸收器（含講解視頻）
008 - FDTD窄帶超表面吸收器（含講解，80元） ? 基本介紹： ·? 主要內(nèi)容：根據(jù)發(fā)表在 Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials 上的文獻《Ultra-narrow-band perfect absorber based on high-order plasmonic resonance in metamaterial作者：
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CST超表面材料仿真實戰(zhàn)
適用于在讀微波、太赫茲、光學人工合成復合超表面材料研究的研究生、本科生，以及從事軍品整流罩、天線罩、吸波尖劈等行業(yè)設計人員； 課程對超材料主流的頻率選擇表面、高阻抗表面、理想吸收體、極化轉(zhuǎn)化器、輻射表面、波前控制表面、非線性超表面做了講解，并著重對極化轉(zhuǎn)換類超材料做展開，在石墨烯課程中講解了相位梯度、波束形成、吸波體、EIT等學術熱門分類 課程以理論和仿真為主，對近期的SCI原刊做內(nèi)容講解和一步步的仿真演示
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027 – COMSOL石墨烯超表面THz吸收器（含演示，80元）
本案例演示了如何在comsol中創(chuàng)建二維材料，計算了頻率為 0.5 ~ 2.5 THz 的入射光下該超表面的吸收率和電場分布。 計算的內(nèi)容和結(jié)果（手機端可能無法顯示圖片，請在電腦端查看）： 1、三種結(jié)構的吸收率。
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超表面的實例教程
光學超表面（MS）是一種新型的平面光學元件，由于其緊湊性、多功能性以及設備集成性的優(yōu)點，正深刻變革著光學設計領域。本期文章將介紹現(xiàn)有的用于超表面檢測的光學計量技術，包括振幅、偏振、定量相位測量以及疊層成像等 ，最后討論了超表面在光學計量中的應用以及未來的發(fā)展趨勢。
引言
過去十年間，平面結(jié)構化光學界面（即超表面）發(fā)展迅猛。超表面本質(zhì)上是平面器件，可借助半導體制造工具和設備進行生產(chǎn)，有望實現(xiàn)晶圓級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到設計階段預期的光學性能至關重要，且這一要求需在高產(chǎn)量條件下達成，即同一晶圓上生產(chǎn)的數(shù)千個器件都要滿足性能標準。半導體行業(yè)通過在制造過程中進行多次連續(xù)和并行測量來解決類似問題，因此，超表面光學元件的工業(yè)化生產(chǎn)也需要適配的先進計量技術，以推動其性能提升，加速系統(tǒng)集成和工業(yè)應用進程。此外，當成功制造超表面后，仍需專用光學計量技術來驗證其光學特性，而且，超表面集成到系統(tǒng)和復雜器件中時，也需要測量來保證最終產(chǎn)品符合規(guī)格。因此，無論是超表面元件還是完整系統(tǒng)，都需要計量和驗證測試。
超表面原理
超表面是由納米結(jié)構元素組成的，這些元素位于分隔兩種介質(zhì)的界面處。這些納米結(jié)構可用于控制透射光和反射光的光學特性。超表面的優(yōu)勢是通過在納米結(jié)構處對入射光產(chǎn)生相移來實現(xiàn)波前控制。傳統(tǒng)的應用包括可以實現(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度分布的全息圖等。而實現(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)構充當小波導，通過控制結(jié)構的有效折射率，即通過控制圓柱直徑，來控制相同高度柱體透射的相位延時，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 4.超表面對傳統(tǒng)光學系統(tǒng)的革新與設計難題
傳統(tǒng)光學系統(tǒng)通常由多個分立組件構成，例如消色差透鏡組需通過多個折射組件的組合實現(xiàn)色差校正，這類系統(tǒng)不僅體積龐大，還需對各組件進行單獨安裝與精準對準，增加了系統(tǒng)設計與制備的復雜度。而通過特定設計的多層超表面，可有效替代傳統(tǒng)光學系統(tǒng)的復雜結(jié)構：例如將多個特殊設計的超表面集成，能夠?qū)崿F(xiàn)微分計算、邊緣提取等功能；采用結(jié)構連續(xù)化的三維超表面，則可完成光譜與偏振的分類處理。
多層超表面（來自原文）
值得注意的是，超表面的復雜結(jié)構往往需要通過逆向設計與優(yōu)化算法獲取，而其緊密的層間間隔與單元間耦合效應，要求建立高精度的全波仿真模型。當前仿真工具的效率仍難以滿足復雜超表面設計的需求，開發(fā)更高效的仿真技術，成為未來超表面研究的重要方向之一。
5.超表面在納米尺度光計算領域的應用與局限
由于光信號具有高速傳播的特性，在納米尺度構建基于光信號的快速、低功耗計算系統(tǒng)，一直是科研人員的重要研究目標，而光學超表面恰好為這一目標的實現(xiàn)提供了理想平臺。光信號處理作為成熟領域，傳統(tǒng)技術通常依賴透鏡實現(xiàn)光的傅里葉變換，而超表面的引入可大幅縮小系統(tǒng)體積。基于此，已有研究團隊利用超表面開展光計算相關研究，例如實現(xiàn)對輸入光信號的微分、積分、卷積等運算。
超表面用于計算與信號處理（來自原文）
然而，當前基于超表面的模擬光學計算與信息處理技術仍存在明顯局限，主要包括制造過程中產(chǎn)生的缺陷影響、系統(tǒng)運行中的噪聲積累，以及可實現(xiàn)的運算類型較為有限等問題，這些均需在后續(xù)研究中進一步解決。
OAS 光學軟件的超表面設計功能非常便捷，該功能將構建更為高效、精準的超表面設計流程，進一步推動光學領域的發(fā)展。
展開 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(jīng)變得可行。但它們的設計難度遠遠超過了傳統(tǒng)鏡片，因為必須考慮到納米級構件的特性。
VirtualLab Fusion的優(yōu)勢
□ 統(tǒng)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(nèi)置了嚴格的傅里葉模態(tài)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(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多項式系數(shù)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(jié)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(tǒng)中。
超全息圖
□ 傳統(tǒng)的相位全息圖通過在透明基底上刻蝕不同的深度來實現(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具有空間變化的納米尺度構建模塊的超表面來實現(xiàn)。
□ 使用超表面構建模塊，可以以一種直接的方式設計高數(shù)值孔徑全息圖。
納米片（Nanofin）構建模塊
□ Nanofin結(jié)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(zhuǎn)來實現(xiàn)的。
□ 為了實現(xiàn)其作為半波片的功能，必須仔細優(yōu)化Nanofin的結(jié)構參數(shù)。
□ 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(zhuǎn)對稱Nanopillar是另一種常見的超表面構建模塊。
展開 原文信息
原文標題：“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成的二維人造材料陣列結(jié)構，超表面能夠憑借特定的結(jié)構設計與排列，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。要達成這一轉(zhuǎn)變，需要更先進準確的超表面單元設計方法，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性能。那么，超表面怎樣才能 “走進千家萬戶” 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 助力超表面單元設計突破局限
當前，超表面單元設計廣泛采用的方法以周期性邊界條件近似假設為基礎。當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計出符合要求的超表面。但在該框架下，無法設計出具有大數(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)光學和衍射光學元件（DOE）的核心優(yōu)勢。
AI與超表面單元設計案例（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（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，以目標單元和與其最相鄰的八個單元作為輸入，來預測目標單元的響應。利用時域有限差分法（FDTD）獲取充足的訓練數(shù)據(jù)后，模型能夠充分考慮單元之間的相互耦合，進而輸出高效率的超表面單元結(jié)構。
AI 應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，這是超表面設計中無法回避的問題。
展開 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(jīng)變得可行。但它們的設計難度遠遠超過了傳統(tǒng)鏡片，因為必須考慮到納米級構件的特性。
VirtualLab Fusion的優(yōu)勢
? 統(tǒng)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(nèi)置了嚴格的傅里葉模態(tài)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(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多項式系數(shù)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(jié)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(tǒng)中。
超全息圖
? 傳統(tǒng)的相位全息圖通過在透明基底上刻蝕不同的深度來實現(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具有空間變化的納米尺度構建模塊的超表面來實現(xiàn)。
? 使用超表面構建模塊，可以以一種直接的方式設計高數(shù)值孔徑全息圖。
納米片（Nanofin）構建模塊
? Nanofin結(jié)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(zhuǎn)來實現(xiàn)的。
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超表面的最新內(nèi)容
其中一些元件如今已經(jīng)應用于光學領域，如衍射光柵，而其他新型元件被視為新一代光學透鏡（例如超表面和超透鏡）。
DOE可精確控制光波的相位、偏振和強度，因此具有極高的應用價值。另外，其比傳統(tǒng)折射光學元件更薄、更輕，從而可以減少光學系統(tǒng)的尺寸、重量和成本。
02/超表面設計中的常見缺陷
超表面設計是 “宏觀光學系統(tǒng)性能” 與 “微觀納米結(jié)構響應” 深度耦合的跨尺度問題，需同時兼顧幾何光學的系統(tǒng)級分析與波動光學的微納場分布計算。傳統(tǒng)光學軟件與設計方法存在天然短板，難以適配超表面的設計需求。
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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(fā)展，光波導作為 AR 顯示核心、超表面作為光學系統(tǒng)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。
周期性微納結(jié)構的優(yōu)化設計
4.超表面微納結(jié)構
下午
2. 衍射光學元件設計與優(yōu)化
3. 周期性微納結(jié)構的優(yōu)化設計
5. 微納加工工藝方案
6.
此外還會介紹超表面的設計和參數(shù)優(yōu)化和大角度超光柵仿真。該課程無需軟件基礎。
隨著研究人員能夠使用石墨烯等新型超材料，表面等離子體光子學的未來前景一片光明。一旦企業(yè)能夠生產(chǎn)出穩(wěn)健、可靠且價格合理的等離子體器件，表面等離子體光子學納米技術將成為為新一代10GHz+集成電路板提供必要協(xié)同作用的關鍵。
到2031年，表面等離子體光子學材料市場的價值將從2023年的近110億美元增長到近400億美元，年增長率約為15.5%。
在威睛的體系中，超構表面將相位調(diào)制的分辨率從“曲面”推進到“像素”，可同時完成聚焦和編碼多重任務，實現(xiàn)整個光路平面化。同時，超構表面可產(chǎn)生遠復雜于傳統(tǒng)相位板的波前分布，實現(xiàn)對景深、光譜、偏振等多維度信息的聯(lián)合編碼。
與人眼的類比：超構表面在某些方面超越了人眼光學——它實現(xiàn)了一種人眼無法完成的“像素級波前剪裁”，其功能相當于角膜 + 瞳孔 + 晶狀體靜態(tài)相位分量的集成平面化。
[16]
2.3 超構表面：像素級先驗的硬件化載體
超構表面是三類工具中最晚興起的技術，由亞波長結(jié)構組成的二維平面光學元件，代表了“平面光學”的新范式。[17]
超構表面的研究熱潮始于2010年代。2011年，哈佛大學Capasso課題組在《Science》上發(fā)表論文，提出利用V形納米天線實現(xiàn)相位突變的廣義斯涅耳定律，開啟了超構表面的系統(tǒng)性研究。
隨著研究人員能夠使用石墨烯等新型超材料，表面等離子體光子學的未來前景一片光明。一旦企業(yè)能夠生產(chǎn)出穩(wěn)健、可靠且價格合理的等離子體器件，表面等離子體光子學納米技術將成為為新一代10GHz+集成電路板提供必要協(xié)同作用的關鍵。
到2031年，表面等離子體光子學材料市場的價值將從2023年的近110億美元增長到近400億美元，年增長率約為15.5%。
這一架構面臨三個根本性限制：
維度損失：傳統(tǒng)成像僅記錄光強（2D），丟失了相位、偏振、光譜等高維信息
采樣冗余：受限于探測器物理分辨率，奈奎斯特采樣定律成為瓶頸
串行延遲：探測-存儲-計算的串行流程導致端到端延遲
計算成像模組的本質(zhì)是“光學編碼+計算解碼”的一體化設計：
前端：通過可編程光學元件（如DMD、超表面、MEMS快反鏡）對入射光場進行多維編碼
