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摘要 yX oNfsv 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，請聯(lián)系 support@infotek.com.cn。 ya{`gjIlW 本文章源自 2024 年 5 月 29 日在 Photonics Media 網(wǎng)絡(luò)研討會上，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。 i]N<xcF9N* 第一章節(jié) 介紹 L ph0C^8 幻燈片 #4–5 7#d:TXS 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，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)。 D(;+my2 幻燈片 #6–7 )bR0 > 3/ 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。 M.6uWwzQR 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。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。 Vfga%K%l F 圖1.幻燈片#6 第二章節(jié) 多尺度的光學(xué)仿真 FZO&r60$E 幻燈片 #9–10 6T|Z4f| 超表面（Metasurfaces）利用具有高折射率的納米結(jié)構(gòu)（通常稱為meta-atoms或者metacells），排列在折射率較低的基底上。這一方法早已被提出 [2]，但近年來再次引起廣泛關(guān)注 [3]。如果希望對該領(lǐng)域有初步深入的了解，建議閱讀 Lalanne 和 Chavel 撰寫的綜述文章 [4]。此外，還推薦 Yang Fan 等人 撰寫的教程 [6]，其中包含大量補(bǔ)充參考資料。 P3]K'*Dyd 幻燈片 #11–12 IG# wY 由于超表面（metasurfaces）由納米結(jié)構(gòu)組成，顯然幾何光學(xué)方法并不適用。相反，必須采用基于麥克斯韋方程組（Maxwell’s equations）的電磁場理論，即通常所稱的物理光學(xué)（physical optics）。因此，在透鏡系統(tǒng)中整合超透鏡（metalenses）或其他平面透鏡，與傳統(tǒng)透鏡曲面及其他光學(xué)元件結(jié)合，會形成一個(gè)多尺度系統(tǒng)（multiscale system）。這就需要一種跨尺度的光學(xué)建模方法，通常稱為多尺度光學(xué)仿真（multiscale optical simulation）。簡單來說，必須強(qiáng)調(diào)的是：多尺度仿真無法僅通過數(shù)據(jù)接口將多個(gè)光學(xué)軟件工具連接在一起實(shí)現(xiàn)。 相反，它需要一個(gè)全面的策略，基于高階物理光學(xué)理論，為光學(xué)軟件提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。對不同尺度的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行建模，需要在統(tǒng)一的物理光學(xué)框架內(nèi)集成多種不同的仿真模型。這正是我們在 VirtualLab Fusion 軟件中所采用的方法。 SMIDW}U2S 圖2.幻燈片#14 幻燈片 #13–15 0O,; [l 在 VirtualLab Fusion 的眾多技術(shù)創(chuàng)新中，幾何光學(xué)在電磁場建模方面的進(jìn)步使其能夠順利與其他物理光學(xué)仿真技術(shù)相結(jié)合。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們遵循了 Max Born 和 Emil Wolf 數(shù)十年前提出的指導(dǎo)原則 [1]，他們曾強(qiáng)烈建議將幾何光學(xué)的基礎(chǔ)擴(kuò)展至電磁場。通過采用我們統(tǒng)一的多尺度仿真（multiscale simulation）方法，可以無縫銜接傳統(tǒng)透鏡曲面的幾何光學(xué)建模與超透鏡（metalens）的高級仿真模型。這種方法在 VirtualLab Fusion 中實(shí)現(xiàn)了前所未有的多尺度仿真速度。 qJ(u ak  2$kB^g!:o 圖3.幻燈片#17
幻燈片 #22 {@iLfBh5
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)期會帶來哪些結(jié)果？ jL8A_'3B
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第三章節(jié) 超透鏡的潛在應(yīng)用 x
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