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超透鏡是一種通過控制表面納米結構來調制光束的幅度和相位，進而實現波前操控（如光束偏轉、光束聚焦和偏振分束等）的新型技術，在之前的文章中已經簡單介紹了介質天線結構和金屬諧振結構的單元仿真，在掃描了不同結構參數對應的相位后，就可以根據目標相位曲線進行相關建模和仿真。

圖3：幻燈片#17幻燈片 #22在 VirtualLab Fusion 的多尺度仿真框架中，整合超透鏡（metalenses）的主要挑戰在于創建一個能夠與其他光學元件（如傳統透鏡）的仿真模型無縫交互的超透鏡仿真模型。在探討我們如何應對這一挑戰之前，我們需要先回答一個關鍵問題：將平面透鏡集成到光學設計中，預期會帶來哪些結果？

該文呈現了較小規模超透鏡的工作流程，此工作流使用lumerical搭配OpticStudio的物理光學傳播（POP）工具可以評估的十分全面，然而從工作流的方法中也呈現出仿真所需的內存隨著鏡頭尺寸變大而變大，大到超出目前內存能力的程度，會限制仿真的超表面尺寸。在本文中，介紹了設計直徑為20毫米的大型超透鏡的工作流程。

此外，超透鏡本質上是基于波動光學的，但需要將它們整合到光線追蹤系統中。此工作流使用lumerical搭配OpticStudio的物理光學傳播（POP）工具可以評估的十分全面，然而從工作流的方法中也呈現出仿真所需的內存隨著鏡頭尺寸變大而變大，大到超出目前內存能力的程度，會限制仿真的超表面尺寸。在本文中，介紹了設計直徑為20毫米的大型超透鏡的工作流程。

第3步：整體透鏡設計一旦從第2步構建了相位/光場相對于半徑的庫，就有兩種方法可用于設計和分析超透鏡整體：直接仿真：根據上一步的目標相位分布以及其相對于半徑的數據情況，在FDTD中構建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接，但它可能會在內存和仿真時間方面帶來挑戰，尤其是對于較大的超透鏡而言。

中山大學希望通過仿真工具在有限時間內評估不同的超構光學透鏡方案，靈活更改超構光學透鏡周圍的浸沒材料，模擬材料變化后超構透鏡的光學性能變化，例如焦點大小和效率；仿真結果必須和實驗結果相近，從而讓仿真技術為超構光學透鏡方案節約時間和設計成本。

第3步：整體透鏡設計一旦從第2步構建了相位/光場相對于半徑的庫，就有兩種方法可用于設計和分析超透鏡整體： 直接仿真：根據上一步的目標相位分布以及其相對于半徑的數據情況，在FDTD中構建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接，但它可能會在內存和仿真時間方面帶來挑戰，尤其是對于較大的超透鏡而言。

關于周期性結構的設計，三款主流的仿真軟件FEKO/HFSS/CST均可以用來進行仿真，從計算效率來說CST和HFSS要更為優秀，設置過程來說，CST和FEKO要更為簡便，三種軟件的建模方法分別如下： HFSS：需要設置主從邊界條件和Floquet模，計算速度快，精度高，參數優化也較為便利，具體操作參考B站視頻：周期結構、超表面單元的仿真（HFSS入門教程）； CST：利用模板，

第3步：整體透鏡設計一旦從第2步構建了相位/光場相對于半徑的庫，就有兩種方法可用于設計和分析超透鏡整體：直接仿真：根據上一步的目標相位分布以及其相對于半徑的數據情況，在FDTD中構建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接，但它可能會在內存和仿真時間方面帶來挑戰，尤其是對于較大的超透鏡而言。

Ansys軟件中的多GPU設置，可通過結合多個GPU的內存和處理能力來加速仿真性能，使您能夠對包含數百萬個元原子的大型超透鏡系統進行仿真。在OpticStudio軟件中使用Lumerical超透鏡插件進行的超透鏡仿真共封裝光學仿真Lumerical套件的共封裝光學仿真，可以對光如何通過波導傳播進行建模，并展示波導形狀在光波分束與引導中的重要作用。

? 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。

設計中采用FDTD全波仿真，優化納米柱尺寸，實現0-2π連續相位覆蓋及高透射效率(>80%)。仿真結果表明，所設計超透鏡在1um波長下可生成純度高于90% 的渦旋光束，最后分析超透鏡生成的渦旋光束的拓撲電荷數是否符合理論設計。橫向尺寸僅為20μm×20μm。

這一步驟與超材料吸波體、電磁誘導透明和超材料濾波器等器件的模擬基本一致。與介質天線結構類似，后續也需要對不同參數下的金屬諧振結構進行掃描并將其相位進行輸出，以便后續超透鏡的相關設計。圖5 金屬諧振結構的表面電場圖和磁場實部圖以上工作準備完成后，我們才可以根據超透鏡的功能需求對其陣列進行設計以及相關的建模和仿真工作.

主要集中在光子學多物理場求解器增強，FDTD GPU 加速支持，超透鏡流程優化，鈮酸鋰調制器支持，光子集成電路仿真能力增強， GUI增強和云計算支持等。 光子學核心技術 1、RCWA 功能增強?新增 RCWA求解器下的電磁場監視器，用于更多類似超透鏡的仿真驗證需求。?支持非正交結構單元的仿真求解，可以實現更復雜光柵結構的快速仿真。

□ 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。

設計任務仿真與設置：單平臺互操作性連接建模技術：超構透鏡? 超構透鏡(柱結構分析)? 傳播到焦點? 探測器周期性微納米結構可用的建模技術：作為一種嚴格的特征模態求解器，傅里葉模態法(也稱為嚴格耦合波分析，RCWA)提供了非常高的精度。雖然計算可能需要一段時間，但對于像這樣復雜的系統，高精度是絕對必要的。

超透鏡的設計的實現方式為：在介質（硅）平板的目標高透過率區域引入亞波長空氣孔陣列。這一設計可降低該區域的等效折射率，提升透射效率。 3、設計 本演示將探究三種仿真設計方案：介質平板、厚菲涅耳透鏡、菲涅耳超構透鏡。自由空間和厚菲涅耳透鏡示例將為超構透鏡設計提供參考和背景依據。 所有仿真將保持相同的通用晶圓、光源和離散化參數，具體如下文所述。

設計任務仿真與設置：單平臺互操作性連接建模技術：超透鏡連接建模技術：自由空間傳播接建模技術：探測器超透鏡設計工作流程創建理想相位柱直徑與相位值圓柱分布設計利用所需的光學函數和所選類型的超透鏡單元所提供的相位值，可以設計出橫向分布。

設計任務仿真與設置：單平臺互操作性連接建模技術：超構透鏡□ 超構透鏡(柱結構分析)□ 傳播到焦點□ 探測器周期性微納米結構可用的建模技術：作為一種嚴格的特征模態求解器，傅里葉模態法(也稱為嚴格耦合波分析，RCWA)提供了非常高的精度。雖然計算可能需要一段時間，但對于像這樣復雜的系統，高精度是絕對必要的。