Ansys Lumerical | 超透镜设计案例分享第二部分：OpticStudio 中的整体透镜设计

设计与分析亚波长结构调控的衍射超透镜：原理与实践

在现代光学工程领域，特别是纳米光学和超表面技术中，设计和制造衍射超透镜成为了研究热点。本文聚焦于一种特殊的超透镜设计——由圆柱形纳米棒组成的衍射超透镜。通过精确调整纳米棒的特性（包括半径、排列方式及几何形状），能够在超透镜的表面上展现出精心定制的相位分布。本文阐述了设计与分析该超透镜的过程中，采用的综合方法与技术验证方案。

1. 目标相位分布定义与单位单元仿真

首先，本文通过定义超透镜的目标相位分布，为后续设计提供了基础数据。对于常见的球面或柱面元件，已知的解析解可以为相位分布提供参考。然而，对于更复杂数学模型，解析解可能缺失或难以获取。在这样的情况下，利用光线追踪和OpticStudio的优化功能设计理想的相位掩模成为理想策略。




在完成目标相位分布的定义后，通过高度和半径的扫描仿真，可以获得纳米棒在不同参数下的透射、相位特性以及接近场信息。选择符合传输和相位特性的纳米棒高度情况，并保存相位与光场相对于半径的结果以备后用。作为验证工具，引入了RCWA求解算法，并将其与Ansys FDTD进行了比较和协作。

2. 整体透镜设计与分析方法对比


由相位/光场相对于半径的数据构建，设计完整超透镜可以采用两种方法：

直接仿真：在FDTD中构建和模拟完整的超透镜，这一步法可能是直观且直接的，但对内存和仿真时间的要求较高，特别是在处理大尺寸超透镜时。

光场重建：利用步骤2中产生的近场数据库重建整个透镜的近场和远场情景。这种方法避免了全透镜建模的耗时，比直接模拟更加高效。

通过对比两种方法，小型独特的球面超透镜被用作间接方法准确性的测试模型。此方法随后被应用于更大型的超透镜设计中，设计时目标相位在OpticStudio中进行优化。

3. 折射光束和元原子远场求和

一旦超透镜的近场信息导出为.ZBF文件，可以将光束在OpticStudio中进行物理光学传播（POP），以评估整个光学系统的性能，并与期望的光场进行比较，确保透镜设计的良好输出。

4. GDS导出与超透镜制造准备

完成设计步骤后，通常需要将超透镜的物理形状和元原子位置的分布形式导出为GDS格式，以供未来的制造工艺使用。特别是对于大型超透镜，使用polystencil命令执行快速且通用的GDS导出，以处理由庞大元原子组成的复杂结构。

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