摘要
這篇文章探討了近年來備受關(guān)注的超透鏡（metalenses）這一主題。超透鏡是平面透鏡的一種特殊類別，與衍射透鏡和菲涅耳透鏡并列。我們介紹了相關(guān)概念，并展示了 VirtualLab Fusion軟件在模擬和設(shè)計(jì)超透鏡方面的能力。所介紹的技術(shù)和功能計(jì)劃于 2025年發(fā)布。如需獲取更多發(fā)布詳情或關(guān)于超透鏡設(shè)計(jì)與建模的咨詢，請(qǐng)聯(lián)系 support@infotek.com.cn。
本文章源自 2024 年 5 月 29 日在 Photonics Media 網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上，F(xiàn)rank Wyrowski 主持的 “關(guān)于超透鏡的討論” (Let’s Talk About Metalenses)講座的文字記錄和演示文稿。
第一章節(jié) 介紹
幻燈片 #4–5
LightTrans International開發(fā)了 VirtualLab Fusion 光學(xué)軟件，并通過全球分銷網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推廣。VirtualLab Fusion 是一個(gè)多尺度光學(xué)仿真平臺(tái)，旨在處理各種光學(xué)和光子學(xué)應(yīng)用，平面透鏡只是其中的一個(gè)示例。本文章重點(diǎn)介紹了 VirtualLab Fusion 在平面透鏡領(lǐng)域的潛力。作為軟件開發(fā)商，我們的責(zé)任是為不斷擴(kuò)展的客戶群體提供強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和建模工具，以評(píng)估和應(yīng)用超透鏡（metalenses）及其他平面透鏡于實(shí)際應(yīng)用中。在本文中，我們探討了在軟件開發(fā)過程中，將平面透鏡集成到透鏡系統(tǒng)的建模與設(shè)計(jì)中所面臨的特定任務(wù)和挑戰(zhàn)。
幻燈片 #6–7
由于光學(xué)軟件依賴于精確且可靠的仿真模型，作為開發(fā)者，我們必須深入研究該主題，并全面理解其基本物理原理。這不可避免地涉及一些數(shù)學(xué)分析和方程式，它們對(duì)于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠懻撝陵P(guān)重要。然而，由于這些數(shù)學(xué)技術(shù)已被集成到 VirtualLab Fusion 中，因此使用該軟件進(jìn)行實(shí)際任務(wù)的用戶無需掌握相關(guān)的基礎(chǔ)物理知識(shí)。
除了理論概念的探討之外，本文章還將包含多個(gè)仿真和設(shè)計(jì)示例。在結(jié)束這段介紹時(shí)，我們希望強(qiáng)調(diào)，LightTrans International 在平面透鏡（包括超透鏡（metalenses））的重要性問題上保持中立立場(chǎng)。我們的使命是為您提供強(qiáng)大的軟件工具，使您能夠在工作中探索平面透鏡技術(shù)的意義和應(yīng)用。
圖1.幻燈片#6
第二章節(jié) 多尺度的光學(xué)仿真
幻燈片 #9–10
超表面（Metasurfaces）利用具有高折射率的納米結(jié)構(gòu)（通常稱為meta-atoms或者metacells），排列在折射率較低的基底上。這一方法早已被提出 [2]，但近年來再次引起廣泛關(guān)注 [3]。如果希望對(duì)該領(lǐng)域有初步深入的了解，建議閱讀 Lalanne 和 Chavel 撰寫的綜述文章 [4]。此外，還推薦 Yang Fan 等人 撰寫的教程 [6]，其中包含大量補(bǔ)充參考資料。
幻燈片 #11–12
由于超表面（metasurfaces）由納米結(jié)構(gòu)組成，顯然幾何光學(xué)方法并不適用。相反，必須采用基于麥克斯韋方程組（Maxwell’s equations）的電磁場(chǎng)理論，即通常所稱的物理光學(xué)（physical optics）。因此，在透鏡系統(tǒng)中整合超透鏡（metalenses）或其他平面透鏡，與傳統(tǒng)透鏡曲面及其他光學(xué)元件結(jié)合，會(huì)形成一個(gè)多尺度系統(tǒng)（multiscale system）。這就需要一種跨尺度的光學(xué)建模方法，通常稱為多尺度光學(xué)仿真（multiscale optical simulation）。簡(jiǎn)單來說，必須強(qiáng)調(diào)的是：多尺度仿真無法僅通過數(shù)據(jù)接口將多個(gè)光學(xué)軟件工具連接在一起實(shí)現(xiàn)。 相反，它需要一個(gè)全面的策略，基于高階物理光學(xué)理論，為光學(xué)軟件提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。對(duì)不同尺度的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行建模，需要在統(tǒng)一的物理光學(xué)框架內(nèi)集成多種不同的仿真模型。這正是我們?cè)?VirtualLab Fusion 軟件中所采用的方法。
圖2.幻燈片#14
幻燈片 #13–15
在 VirtualLab Fusion 的眾多技術(shù)創(chuàng)新中，幾何光學(xué)在電磁場(chǎng)建模方面的進(jìn)步使其能夠順利與其他物理光學(xué)仿真技術(shù)相結(jié)合。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們遵循了 Max Born 和 Emil Wolf 數(shù)十年前提出的指導(dǎo)原則 [1]，他們?cè)鴱?qiáng)烈建議將幾何光學(xué)的基礎(chǔ)擴(kuò)展至電磁場(chǎng)。通過采用我們統(tǒng)一的多尺度仿真（multiscale simulation）方法，可以無縫銜接傳統(tǒng)透鏡曲面的幾何光學(xué)建模與超透鏡（metalens）的高級(jí)仿真模型。這種方法在 VirtualLab Fusion 中實(shí)現(xiàn)了前所未有的多尺度仿真速度。
圖3.幻燈片#17
幻燈片 #22
在 VirtualLab Fusion 的多尺度仿真框架中，整合超透鏡（metalenses）的主要挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建一個(gè)能夠與其他光學(xué)元件（如傳統(tǒng)透鏡）的仿真模型無縫交互的超透鏡仿真模型。在探討我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)之前，我們需要先回答一個(gè)關(guān)鍵問題：將平面透鏡集成到光學(xué)設(shè)計(jì)中，預(yù)期會(huì)帶來哪些結(jié)果？
第三章節(jié) 超透鏡的潛在應(yīng)用
幻燈片 #24–29
為了解答這個(gè)問題，我們首先做出一些基本觀察。為了生成物點(diǎn)圖像，例如軸向物點(diǎn)圖像，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)合適的曲面。將這個(gè)曲面替換為平面透鏡不會(huì)改變物面和像面的距離。因此，平面透鏡的形狀變化不會(huì)減少系統(tǒng)的長(zhǎng)度。接下來，我們添加另一個(gè)物點(diǎn)，這需要一個(gè)不同的曲面來實(shí)現(xiàn)精確成像。單一曲面無法準(zhǔn)確成像多個(gè)物點(diǎn)。因此，增加更多的曲面來校正像差是至關(guān)重要的，這在透鏡設(shè)計(jì)中是一個(gè)公認(rèn)的概念。目前沒有證據(jù)表明平面透鏡可以消除這一需求。為了進(jìn)一步理解，我們考慮一個(gè)光束擴(kuò)展器的設(shè)計(jì)。在這種情況下，初始透鏡用于將入射平面相位轉(zhuǎn)換為聚焦或發(fā)散的球面相位。以發(fā)散情況為例。第二個(gè)透鏡用于將入射光準(zhǔn)直。因此，需要使用兩個(gè)透鏡。光束擴(kuò)束的程度由透鏡間的距離 d 和它們的數(shù)值孔徑?jīng)Q定。平面透鏡的使用并不會(huì)改變這一結(jié)果。
圖4.幻燈片#42
幻燈片 #30–40
基于這些觀察和其他因素，我們得出以下結(jié)論：
• 平面透鏡能夠減少透鏡的厚度和重量。平面透鏡的薄型設(shè)計(jì)為縮短透鏡表面間距提供了更多可能性。傳統(tǒng)透鏡表面的厚度限制了透鏡表面彼此之間的最小距離，而這一限制在平面透鏡中可以去除。
• 平面透鏡的制造方法不同于傳統(tǒng)透鏡，這在某些特定場(chǎng)景下可能帶來好處。
• 平面透鏡可能為可切換透鏡提供新的機(jī)會(huì)。將厚透鏡表面替換為平面表面，改變了系統(tǒng)中的像差動(dòng)態(tài)，這可能增強(qiáng)基于特定場(chǎng)景的像差校正能力。使用具有強(qiáng)烈對(duì)立色差的衍射透鏡來對(duì)抗平滑透鏡表面的色差，就是這一潛力的一個(gè)典型例子。
• 平面透鏡的一些特性，如其偏振敏感功能，可能被視為有益或有害，具體取決于使用場(chǎng)景。本文后續(xù)將展示一個(gè)例子，說明偏振敏感性的應(yīng)用。
• 綜合這些觀察，沒有跡象表明平面透鏡（包括超表面透鏡）在縮短光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度或減少透鏡表面數(shù)量方面，能超越非球面和自由曲面的能力。
鑒于篇幅，全文內(nèi)容點(diǎn)此下載文檔。
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