01 前言
g3 6oE z~| 本文介紹了設(shè)計(jì)和模擬厘米尺度
超透鏡的工作流程。
EC&t+"= R V7%G? 我們將一系列不同直徑的
納米尺寸等級(jí)單元(以下稱為納米單元)在
Lumerical中建模，使用RCWA方法對(duì)每種直徑的納米單元進(jìn)行分析，建立納米元素直徑以及其誘發(fā)的相位和振幅關(guān)系數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)接下來被導(dǎo)入OpticStudio，以整合到
光線追蹤系統(tǒng)中，借由超透鏡把準(zhǔn)直光束聚焦。
]|<PV5SY3. EShc1KPqc 1*S It5?4 ~;_]U[eOL 02 綜述
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]ks) 超透鏡是由納米單元組成的先進(jìn)
光學(xué)結(jié)構(gòu)，透過區(qū)域性調(diào)整單個(gè)單元，可以建立復(fù)雜的光學(xué)功能。然而，大規(guī)模
仿真這種結(jié)構(gòu)是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗皇侵芷谛缘�，它由大量的納米單元組成。此外，超透鏡本質(zhì)上是基于波動(dòng)光學(xué)的，但需要將它們整合到光線追蹤系統(tǒng)中。
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關(guān)于建立超透鏡的方法的詳細(xì)信息，以及RCWA計(jì)算的驗(yàn)證，可以在文章：Small-scale metalens - Field propagation中找到。該文呈現(xiàn)了較小規(guī)模超透鏡的工作流程，此工作流使用lumerical搭配OpticStudio的物理光學(xué)傳播（POP）工具可以評(píng)估的十分全面，然而從工作流的方法中也呈現(xiàn)出仿真所需的內(nèi)存隨著鏡頭尺寸變大而變大，大到超出目前內(nèi)存能力的程度，會(huì)限制仿真的超表面尺寸。在本文中，介紹了設(shè)計(jì)直徑為20毫米的大型超透鏡的工作流程。在這個(gè)工作流程中，演示了我們可以在納米單元級(jí)別設(shè)計(jì)超表面，并將其組裝到厘米等級(jí),并將超透鏡整合到OpticStudio的光線追蹤系統(tǒng)中。流程最后還提供了將超表面信息提取到GDS檔案中進(jìn)行制造的步驟。
o<1e- 7)O?j c 步驟1：定義相位目標(biāo)
第一步是定義超透鏡相位目標(biāo)的空間分布。由于大尺寸的超透鏡需要數(shù)量龐大的納米單元來構(gòu)成，如果空間分布用位置的查表來表達(dá)，內(nèi)存需求會(huì)超出一般CPU的負(fù)荷。在這個(gè)工作流程中，我們使用一個(gè)可解析定義的目標(biāo)相位輪廓，例如球形或圓柱形輪廓。Ansys OpticStudio還可用于優(yōu)化整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中超透鏡所需的波前，以便使用具有離散系數(shù)的函式（例如多項(xiàng)式）來定義目標(biāo)相位。在本文中，我們針對(duì)的是半徑為10mm，焦距為300mm的球面透鏡。
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okoD26tK A9qCaq{ 4*&x% ~* 請(qǐng)注意，將數(shù)值孔徑 (NA) 保持在合理的值非常重要。如果超透鏡被設(shè)計(jì)為相位變化很快的輪廓，則邊緣上的相位變化可能超出考慮納米單元的分辨率所能實(shí)現(xiàn)的范圍。通常微納單元數(shù)據(jù)庫所涵蓋的相位范圍是2π，因此數(shù)值孔徑應(yīng)滿足奈奎斯特采樣標(biāo)準(zhǔn)
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i :Pg&474f D-9zg\\'` U8]L3&~ 其中p是微納單元尺寸, λ是設(shè)計(jì)波長，NA=透鏡半徑/焦距。超出這個(gè)限制，當(dāng)包裹相位的梯度太陡并且經(jīng)歷快速跳躍時(shí)，超透鏡模型就會(huì)受到限制。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱本文步驟 3 中的討論。
%eGxQDIXg F7^8Ej9*a GRCc<TM, U 步驟2：微納單元仿真–高度和半徑掃描（未涵蓋）
此步驟包括對(duì)微納單元參數(shù)（例如納米棒的半徑）進(jìn)行掃描，以確定微納單元的局部特性與其輸出相位和振幅之間的關(guān)系，生成納米單元響應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。該過程不受超透鏡整體尺寸規(guī)模影響。更多詳細(xì)信息請(qǐng)參閱 Small-scale metalens - Field propagation一文中的步驟 2。該掃描的輸出文件包含相位和幅度的數(shù)據(jù)庫信息，為 EH_and_phase_vs_radius_interp_rcwa.mat。
請(qǐng)注意，掃描是針對(duì)離散數(shù)量的相位執(zhí)行的，這意味著納米單元的可能半徑的離散數(shù)量。這給最終輪廓帶來了一定程度的離散化，應(yīng)該也與納米單元的制造限制有關(guān)。
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L!V`Sb 步驟3：納米單元分布地圖的生成，并在 OpticStudio 中集成
首先基于步驟1的目標(biāo)相位輪廓和步驟2中定義的數(shù)據(jù)庫，在Lumerical中定義了一個(gè)厘米等級(jí)的超透鏡。數(shù)據(jù)庫被寫入一個(gè).h5文件，包括帶有索引的映射，指向每個(gè)微納單元的相位和振幅的可能值的離散列表。振幅和相位值的數(shù)據(jù)庫與超透鏡整體尺寸無關(guān)，但索引圖隨著鏡頭的尺寸而增加。由于文件大小隨著設(shè)計(jì)中納米組件數(shù)量的增加而增加，因此建議使用較小的直徑進(jìn)行初步測(cè)試。請(qǐng)注意，目前尚未使用振幅信息。此.h5文件在下載包中包含的 Zemax 插件中使用，將大鏡頭集成到光線追蹤系統(tǒng)中。
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