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基于超表面的渦旋超透鏡通過亞波長結(jié)構(gòu)實現(xiàn)波前相位調(diào)控，兼具緊湊性與高性能優(yōu)勢。本文基于Lumerical FDTD仿真平臺，設(shè)計了一種高效生成拓?fù)潆姾蓴?shù)可調(diào)的渦旋超透鏡。在設(shè)計原理上，通過幾何相位(PB相位)結(jié)合傳播相位聯(lián)合調(diào)控，利用二氧化鈦(TiO2)納米柱陣列對圓偏振入射光進行相位延遲，構(gòu)建滿足螺旋相位因子的梯度相位分布(l為拓?fù)浜蓴?shù)，為方位角)。

圖3 金屬諧振諧振結(jié)構(gòu)和FDTD仿真域?qū)τ诮饘僦C振結(jié)構(gòu)來說，一般將其反射相位作為超透鏡陣列調(diào)控的參數(shù)，因此需要對結(jié)構(gòu)的反射率以及反射相位進行仿真模擬，如圖3所示為普通矩形金結(jié)構(gòu)在寬波長范圍下的反射率和反射相位曲線（通常需要對該曲線進行后處理，使其直接輸出角度制的相位）。

對球體進行編程建模，形成FDTD的參數(shù)列表以及模糊化處理的編碼。編碼的優(yōu)勢為波長范圍、頻率采樣率、球殼半徑、微球半徑以及材料靈活設(shè)置，一鍵式操作。圖2 model參數(shù)設(shè)置以及編碼形成如下結(jié)構(gòu)樹以及規(guī)律排列的球形微球陣列。

我們通過鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的參數(shù)定義平移偏移（垂直、水平、散焦）和旋轉(zhuǎn)錯位。然后導(dǎo)出場和對準(zhǔn)參數(shù)以供進一步分析。步驟3：Lumerical FDTD中的自由空間到導(dǎo)模接下來，我們將場導(dǎo)入Lumerical FDTD，并使用對齊參數(shù)設(shè)置自定義源。該FDTD允許我們非常籠統(tǒng)地定義源，并無縫地從自由空間移動到導(dǎo)模區(qū)域。計算傳輸功率，并將電磁場保存為最后一步的輸入。

根據(jù)圖紙可得三個φ5圓都在φ24圓周上，僅是在位置上有120°的旋轉(zhuǎn)角度，對于這種類型的特征可以用陣列曲線進行復(fù)制。

設(shè)計的超構(gòu)光學(xué)透鏡示意圖，由不同旋轉(zhuǎn)角度的微納長方體柱排列而成，工作波長為 532 納米 基于超構(gòu)表面注1 的平面超構(gòu)光學(xué)透鏡，可在百納米厚度的微納結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)超大數(shù)值孔徑注2顯微物鏡，從而克服傳統(tǒng)光學(xué)玻璃物鏡加工難度大、成像系統(tǒng)體積大等缺點。目前一些鏡頭制造過程已自動化了，但鏡片工匠仍然很重要，通常需要 10-15 年的時間來培訓(xùn)技術(shù)人員以達(dá)到專業(yè)水平。

光子晶體在制作過程中難免會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不理想以及缺陷，這種情況被叫做結(jié)構(gòu)無序，結(jié)構(gòu)無序主要有空氣孔大小無序、位置無序和旋度無序三種情況。在這里，我們采用FDTD solutions軟件研究在單光子源入射的情況下，五邊形光子晶體波導(dǎo)的光傳輸特性隨無序程度變化的情況，進而得出無序效應(yīng)對二維光子晶體光傳輸特性的影響，證明6%無序度的五邊形氣孔的六邊形光子晶體波導(dǎo)具有引人注目的光傳輸性質(zhì)。

大綱：1.計算電磁學(xué)常用數(shù)值方法(FDTD、FEM、MOM)簡要介紹2.FDTD基本原理簡要介紹3.FDTD人機交互界面介紹3.1 主窗口布局及組件介紹3.2 菜單欄與工具欄介紹3.3 模型樹與物件庫(結(jié)構(gòu)組、分析組)介紹3.4 腳本提示與腳本編輯窗口實踐4.FDTD上手實操4.1 材料庫與數(shù)據(jù)導(dǎo)入4.2 基本幾何形體的使用4.3 激勵光源的選擇

圖5：展開期間和結(jié)束時狹縫管中的應(yīng)力展開期間芯軸位置的時間歷程圖以及位于芯軸中心的旋轉(zhuǎn)彈簧施加的扭矩時間歷程，如圖6所示。彈簧充當(dāng)旋轉(zhuǎn)阻尼器，阻尼隨芯軸的旋轉(zhuǎn)速度線性變化。

在Hypermesh中對于許多重復(fù)結(jié)構(gòu)的單元普遍處理方法是對一原始結(jié)構(gòu)單元進行多次復(fù)制移動、旋轉(zhuǎn)以達(dá)到每個結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格形狀、質(zhì)量的一致性，能夠減少重復(fù)結(jié)構(gòu)件的多次網(wǎng)格劃分，但Hypermesh中沒有的陣列的處理操作，對于許多重復(fù)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格就需要逐個點擊復(fù)制移動，可以說是件十分麻煩且枯燥的過程。

從第一個子單元開始，使用3D-FDTD計算每個子單元的FOM值，并選擇具有較大FOM值的材料類型，直到計算出最后一個子單元，完成一次迭代。4. 重復(fù)多次迭代，直到FOM達(dá)到閾值或不再增加，獲得優(yōu)化后的器件結(jié)構(gòu)。結(jié)果與對比圖3給出了該結(jié)構(gòu)功率傳輸和FOM隨迭代次數(shù)的變化。可以看出，隨著迭代次數(shù)的增加， 模式的透射率和FOM值都增加，而 模式的透射率變化很小。

? 是繞傳播軸的旋轉(zhuǎn)角。θ 的取值范圍為 0 至 90 度，? 的取值范圍為 0 至 360 度。

與具有完美旋轉(zhuǎn)對稱性的理想雙曲線透鏡不同，由于透鏡在直線網(wǎng)格上具有納米棒陣列定義的離散化情況，因此模擬結(jié)果并未顯示出這種對稱效應(yīng)。運行腳本文件fdtd_full_lens_plot_field.lsf的“第1部分”，沿x軸繪制相位（上述相位圖中的虛線）。測量的相位總體上與目標(biāo)相位非常吻合。可以使用動態(tài)監(jiān)視器或時間監(jiān)視器來可視化通過超透鏡光場的演變情況。

電磁分析和 FDTD 方法 FDTD 的簡單性、多功能性和靈活性使其在計算電磁應(yīng)用中廣受歡迎。由于 FDTD 方法是基于體積的，因此對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和介質(zhì)的建模非常有效，尤其是與有限元方法(FEM) 和矩量方法 (MOM) 相比。 FDTD 是一種時域方法。時域方法的優(yōu)點在于，通過單次仿真，可以獲得代表系統(tǒng)對各種頻率的響應(yīng)的解決方案。 使用FDTD方法獲得的時域解可以表示為時間波形。

懂軍事的小伙伴應(yīng)該了解，現(xiàn)在的相控陣?yán)走_(dá)已經(jīng)不需要旋轉(zhuǎn)就可向任何方向發(fā)射無線電波。圖片上的一個小圓點就是一個陣列，利用獨立天線同步形成的微陣列，只需控制每個天線發(fā)送信號間的時機或陣列，不需“旋轉(zhuǎn)”，就可以向任何方向發(fā)送無線電波。類似的把無線電波替換為激光就得到了相控陣激光雷達(dá)。

下圖顯示了更高精度 FDTD 仿真的橫截面。FDTD 與理論結(jié)果之間的一致性顯然要好得多。此外，較小的網(wǎng)格會產(chǎn)生更高分辨率的場輪廓，從而更好地解析金屬界面附近的場。

海爾貝克陣列可以輔助產(chǎn)生更加合適的磁場環(huán)境，有助于提高成像的質(zhì)量和分辨率。通過優(yōu)化磁體排列，可以在局部區(qū)域產(chǎn)生更強的磁場，從而更清晰地顯示人體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。

其核心器件為波分復(fù)用器和解復(fù)用器，常見的結(jié)構(gòu)包括微環(huán)（MRR）型、刻蝕衍射光柵（EDG）型以及陣列波導(dǎo)光柵（AWG）型等。MRR型：MRR由一個環(huán)形諧振腔和輸入輸出波導(dǎo)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成等優(yōu)點。其中，環(huán)形諧振腔能使不同波長的光信號實現(xiàn)選擇性諧振，因此，級聯(lián)不同環(huán)形諧振腔長度的MRR，就能實現(xiàn)多個波長的解復(fù)用功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。