Ansys Lumerical大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
01 前言 WO@H*
本文介紹了設計和模擬厘米尺度超透鏡的工作流程。 n26>>N
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我們將一系列不同直徑的納米尺寸等級單元(以下稱為納米單元)在Lumerical中建模，使用RCWA方法對每種直徑的納米單元進行分析，建立納米元素直徑以及其誘發(fā)的相位和振幅關系數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)接下來被導入OpticStudio，以整合到光線追蹤系統(tǒng)中，借由超透鏡把準直光束聚焦。 o!utZmk$
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02 綜述[attachment=123990] [fxuUmU
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超透鏡是由納米單元組成的先進光學結構，透過區(qū)域性調(diào)整單個單元，可以建立復雜的光學功能。然而，大規(guī)模仿真這種結構是一個真正的挑戰(zhàn)，因為它不是周期性的，它由大量的納米單元組成。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(tǒng)中。 y
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關于建立超透鏡的方法的詳細信息，以及RCWA計算的驗證，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(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。在這個工作流程中，演示了我們可以在納米單元級別設計超表面，并將其組裝到厘米等級,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檔案中進行制造的步驟。 q &
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步驟1：定義相位目標 第一步是定義超透鏡相位目標的空間分布。由于大尺寸的超透鏡需要數(shù)量龐大的納米單元來構成，如果空間分布用位置的查表來表達，內(nèi)存需求會超出一般CPU的負荷。在這個工作流程中，我們使用一個可解析定義的目標相位輪廓，例如球形或圓柱形輪廓。Ansys OpticStudio還可用于優(yōu)化整個光學系統(tǒng)中超透鏡所需的波前，以便使用具有離散系數(shù)的函式（例如多項式）來定義目標相位。在本文中，我們針對的是半徑為10mm，焦距為300mm的球面透鏡。 }/p/ pVz
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請注意，將數(shù)值孔徑 (NA) 保持在合理的值非常重要。如果超透鏡被設計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)值孔徑應滿足奈奎斯特采樣標準[attachment=123992] <s}|ZnGE
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