超透镜官方最新仿真模型介绍——抛砖引玉

fdtd
metalens
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随着2019a R4版本的发布,新的App也随之出现。
其中我注意到,一个大家都很关注的领域——超透镜相关的例子的出现,下面是对应的链接:
https://apps.lumerical.com/zemax-interoperability-metalens.html
(最低版本要求 Minimum product version: 2019a r3)欢迎大家购买或者试用Lumerical公司的最新版本。
尽管之前已经有一个超透镜的官方例子出现 https://apps.lumerical.com/metamaterials_metalens-design-example.html 但是这个例子和学界研究最多的超透镜不那么相似,所以也没有引起太多的讨论。
这次发布的新例程,利用的是波导类型的超透镜架构(超透镜实现的原理有很多种,1、金属结构引入额外相位Yu Nanfang; 2、几何相位 Science TiO2; 3、介质波导 抛砖引玉一下),这种结构通常 不需要像“几何相位”架构那样要求圆偏振入射,而且效率也比“金属结构”结构来得高很多,因此得到了广泛的关注。Lumerical公司为了满足大家对超透镜仿真的迫切需求,特意推出了这种结构的仿真模型(揣测的)。

  • 步骤一:单元结构建模,S参数分析组设置
  • 步骤二:单元结构相位和透射率的扫描
  • 步骤三:构建整个超透镜 (值得注意的是,这个模型中采用的是平面波和周期性边界条件/对称反对称边界条件+PEC的孔径,与我们之前采用的方式大相径庭)
  • 步骤四:将FDTD计算出的近场导入ZEMAX进一步仿真优化。

关键点介绍:
第一点:


该文件中,有关于如何将相位分布和圆柱半径分布关联起来自动建模的脚本,值得大家学习!(在
超透镜结构脚本绘制 —— 抛砖引玉 这个帖子中,脚本仅仅根据单元所在坐标旋转结构,相比之下要简单不少)
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第二点:
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在添加孔径之后,超透镜得到的相位和振幅(与透射率相关)如图所示。尽管由于超透镜引入的离散化相位和透射使得振幅分布出现一些图案效应。但是整体还是不错的。

使用PEC孔径+周期边界条件,我预计可以比使用TFSF+PML运行速度要快,而且结果应该相差不大,因为汇聚的超透镜即使用了周期性边界条件,也与相邻单元的耦合很弱,况且还有PEC孔径将其分隔开来。(未经验证,仅供参考)

第三点:
下图为通过超透镜之后的波前,明显呈现出双曲线形状,表面超透镜具有良好的汇聚作用。(网页上有动图)
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PS:平面波+PML的时候回出现明显的edge effect 但是,从上图看起来,使用这种 周期性边界条件+平面波+PEC孔径 的方法 ,似乎没有出现很强的edge effect,从PEC孔径边缘透射过去的波,依旧保持了不错的直线传播特性(可能是周期性边界条件保证了平面波入射波波前的完整性,而且孔径远大于工作波长?衍射效果不明显?)。下图为所提到的 PEC孔径
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第四点:
聚焦效果如下,和采用 TFSF+PML 的效果类似。

第五点:
https://www.lumerical.com/learn/video/zemax-lumerical-from-nano-scale-to-macro-scale-optics-and-back/ 介绍ZEMAX-FDTD的视频!
将FDTD与ZEMAX联合仿真,可以得到许多新奇的结果。关于Zemax的一般问题: 版本以及兼容等 (由于我没有ZEMAX和相关的license,所以对这一点不是很了解)

PS:最后提一下,虽然我经常发一些关于超透镜的帖子,但是由于课题组的工作安排,我的工作重点已经仿真超材料电磁吸收体上了,所以咨询我超透镜问题的小伙伴可能不能得到很好的回复了。但是,如果有想和我讨论超材料吸收体的,还是很欢迎的。(本人的DOI:10.1364/OE.27.008375 ;10.1364/OE.26.016769 )

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