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026 – FDTD超表面折射率傳感器（僅模型文件，120元）基本介紹： 主要內(nèi)容：根據(jù)發(fā)表在物理學(xué)報(bào)上的論文《X-兩環(huán)結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性研究，作者：潘庭婷等》，用Lumerical FDTD重復(fù)了其中的所有內(nèi)容（共24張圖） ； 基于Lumerical FDTD Solution求解，使用的軟件版本為Lumerical 2018a； 計(jì)算所需的內(nèi)存：2

設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)。目前一些鏡頭制造過程已自動(dòng)化了，但鏡片工匠仍然很重要，通常需要 10-15 年的時(shí)間來培訓(xùn)技術(shù)人員以達(dá)到專業(yè)水平。

因此，我們第一步要做的便是對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的超透鏡單元進(jìn)行仿真模擬，并輸出其掃描相位結(jié)果，如圖1所示為簡單的矩形介質(zhì)結(jié)構(gòu)超表面通過腳本掃描得到的結(jié)果。在這一過程中，通常需要點(diǎn)監(jiān)視器、面監(jiān)視器以及其他監(jiān)視器的協(xié)同，并通過腳本或者FDTD自帶的掃描功能對(duì)相位結(jié)果進(jìn)行輸出。

摘要：渦旋光束因攜帶軌道角動(dòng)量(OAM)在光通信、量子信息及超分辨顯微等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，但其傳統(tǒng)生成方法依賴體光學(xué)元件，存在體積大、效率低等問題。基于超表面的渦旋超透鏡通過亞波長結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波前相位調(diào)控，兼具緊湊性與高性能優(yōu)勢(shì)。本文基于Lumerical FDTD仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種高效生成拓?fù)潆姾蓴?shù)可調(diào)的渦旋超透鏡。

本在線直播培訓(xùn)課程將從各個(gè)論文中的案例出發(fā)，針對(duì)FDTD和MODE兩套仿真軟件作深入淺出的介紹，并從腳本和可視化界面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真演示，完成對(duì)軟件的操作、分析及設(shè)計(jì)流程。此次課程主要包括兩大板塊(二選一)：入門+超材料板塊；入門+波導(dǎo)光子器件板塊。

我們可以通過在 FDTD 中打開并運(yùn)行腳本來檢查設(shè)置：首先，我們需要定義超表面的兩種材料的折射率。此案例中分別為 1.00 和 2.4。我們將空氣的折射率設(shè)置為 1。其次，我們需要將監(jiān)視器的位置定義為每種顏色的品質(zhì)因數(shù) (FOM) 監(jiān)視器。您可以通過更改場(chǎng)區(qū)域監(jiān)視器的大小來修改像素的大小和位置。最后，我們需要通過監(jiān)視器定義優(yōu)化區(qū)域。

利用時(shí)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(duì)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(huì)存在偏差，這是超表面設(shè)計(jì)中無法回避的問題。隨著超表面逐漸走向產(chǎn)業(yè)化，縮小仿真與制造之間的性能差距成為關(guān)鍵。借助深度學(xué)習(xí)，我們可以在充分考慮制造公差的前提下對(duì)超表面進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

超透鏡和超表面因其操縱電磁場(chǎng)的獨(dú)特特性而在科學(xué)上聲名鵲起，如今它們的制造已經(jīng)變得可行。但它們的設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)鏡片，因?yàn)楸仨毧紤]到納米級(jí)構(gòu)件的特性。

□ 靈活地將超透鏡與其他元件一起包含在一個(gè)光學(xué)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(shí)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(gòu)建模塊的超表面來實(shí)現(xiàn)。□ 使用超表面構(gòu)建模塊，可以以一種直接的方式設(shè)計(jì)高數(shù)值孔徑全息圖。

而透射/反射效率用于表征該量，其被定義為由超表面透射/反射的功率與入射到超表面孔徑上功率之間的比率。當(dāng)超表面尺寸大于光學(xué)探測(cè)光束直徑時(shí)，使用功率計(jì)即可便捷測(cè)量效率；而對(duì)于微米尺寸的小面積超表面，由于光學(xué)探測(cè)光束通常比超表面孔徑寬，則需對(duì)器件成像并選取超表面孔徑區(qū)域的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，也可使用 CCD 相機(jī)拍照并進(jìn)行數(shù)值后處理歸一化操作。

Kuznetsov 的研究視角，系統(tǒng)梳理光學(xué)超表面 “黃金時(shí)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。

近期，一項(xiàng)發(fā)表于《Nature》的研究提出了一種基于超表面的高階光學(xué)微分器，不僅實(shí)現(xiàn)了五階微分，還將其應(yīng)用于光學(xué)超分辨率成像，分辨率突破瑞利極限，為半導(dǎo)體納米制造中的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)提供了全新工具。高階微分器的設(shè)計(jì)原理1.Pancharatnam-Berry（PB）相位超表面PB相位超表面是一類基于幾何相位調(diào)控的超表面。

本文復(fù)現(xiàn)了超表面中偏振轉(zhuǎn)換型超表面，參考的文獻(xiàn)是《一種超寬帶反射型極化轉(zhuǎn)換超表面設(shè)計(jì)》-于惠存，一種超寬帶反射型極化轉(zhuǎn)換超表面設(shè)計(jì)_于惠存.pdf具體模型如下在介質(zhì)板上面鋪有H型金屬片，在介質(zhì)板下方有一整塊金屬將電磁波完全反射。左旋圓偏光入射到該超表面上，反射光為右旋圓偏光。實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光的一種偏振轉(zhuǎn)換。

針對(duì)上述偽影問題，雖可通過深度學(xué)習(xí)等技術(shù)計(jì)算更精準(zhǔn)的相位分布、設(shè)計(jì)更合理的超表面結(jié)構(gòu)，但對(duì)于包含數(shù)萬個(gè)納米單元的大面積超表面而言，精確模擬并補(bǔ)償所有干擾效應(yīng)需消耗極高的算力資源，成為超表面全息走向?qū)嶋H應(yīng)用的主要“攔路虎”。

建立薄膜聲學(xué)超表面的幾何模型并完成網(wǎng)格的劃分： 圖2.幾何模型的構(gòu)建 圖3.網(wǎng)格的劃分 圖4.薄膜聲學(xué)超表面的預(yù)應(yīng)力對(duì)隔聲損失的影響 圖5.論文中的預(yù)應(yīng)力對(duì)隔聲損失的影響 基于以上分析，可改變參數(shù)對(duì)其參數(shù)化掃描，即可得到薄膜型聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)化參數(shù)的影響。

然而，納米壓印用于超表面加工依然存在著許多問題。首先，超表面通常由折射率較高的材料構(gòu)成，如TiO2，Si，金屬等等。而納米壓印的材料一般折射率較低，例如PDMS。因此，壓印完成后通常需要進(jìn)行二次加工，包括沉積高折射率材料以及蝕刻垂直結(jié)構(gòu)。在此過程中，額外的加工缺陷不可避免被引入，從而破化超表面的光學(xué)性能。其次，超表面結(jié)構(gòu)單元常要求高深寬比，例如超表面透鏡。

（來自原文）</p><p><br></p><p>超表面核心參數(shù)與設(shè)計(jì)優(yōu)化</p><p>選用基于幾何相位的非晶硅納米塊作為超表面單元，通過調(diào)整單元轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。