本公開總體上涉及具有超表面(metasurface)的超透鏡(metalens)，更具體地涉及用于設計超透鏡的系統(tǒng)和方法。

背景技術：

1、超表面是與電場和/或磁場相互作用的波長尺度結構的平面布置。光學超表面(即，超透鏡)與可見光波長和近可見光波長相互作用，并提供對波前(wavefront)的精致控制，具有光電的實質小型化的潛力。實際上，超透鏡完全缺乏理論上預測的效率，并且與傳統(tǒng)的體透鏡(bulk?lenses)和反射鏡相比還沒有競爭力。主要設計策略是將超透鏡分解成單元網(wǎng)格，計算每個網(wǎng)格單元的期望光學相位延遲，并且從預模擬納米結構庫中選擇提供適當相位延遲的納米結構。對于根據(jù)pancharatnam-berry(pb)理論的預測表現(xiàn)出相位延遲的納米結構，設計問題特別簡單：預期相對相位延遲隨納米結構的旋轉取向線性變化。然而，在實踐中，基于單位單元(unit?cell)原理設計的超透鏡遭受未建模的光物質相互作用和附近納米結構之間的諧振耦合，特別是在高數(shù)值孔徑(numerical?aperture，na)處。因此，需要開發(fā)一種新穎的數(shù)據(jù)處理(系統(tǒng))來解決上述問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本公開基于以下認識：同時調諧所有單位單元的快速優(yōu)化可以主要通過校正附近單元之間的相互作用來改善光學器件的近場分布和性能。這將高-na超透鏡的聚焦效率提高了5％-9％，如在高分辨率fdtd模擬中驗證的。

2、由于高效率和簡單的設計過程(其中，每個波導的幾何形狀經(jīng)由parabancham-berry相位的理論獨立地確定)，已經(jīng)證明了納米級波導的陣列是超透鏡的有吸引力設計基序(motif)。我們示出了相位延遲實際上不是獨立的，并且給出導致顯著更高的聚焦效率的校正。

3、本發(fā)明的一些實施方案基于以下認識：已經(jīng)進行了廣泛的努力來找到提供如在單位單元分解中預期的獨立相移的納米結構族。然而，在實踐中，附近納米結構之間的非預期諧振耦合干擾所實現(xiàn)的相位延遲遠離其預期值。耦合和所產(chǎn)生的擾動未被很好地理解，而是被觀察到降低了超透鏡的效率和整體性能。

4、一些實施方式基于以下認識：計算機實現(xiàn)的方法從單元的小鄰域的模擬構建可微分相位預測函數(shù)或電場預測函數(shù)，并且使用該函數(shù)以牛頓迭代聯(lián)合優(yōu)化所實現(xiàn)的覆蓋整個超透鏡的交疊鄰域的相位延遲，從而獲得聚焦效率的顯著增加。主要領悟是(1)可以從模擬數(shù)據(jù)構建小鄰域的中間單元上方的電場的可微分預測器；(2)該函數(shù)大致可分離為交疊的較小鄰域的函數(shù)，因此不需要指數(shù)數(shù)量的昂貴模擬來準確地對未知物理學進行建模；(3)通過求解用于校正覆蓋超透鏡的交疊鄰域中的納米結構幾何形狀的短序列帶狀線性方程組，該函數(shù)的導數(shù)可以用于獲得(局部)最優(yōu)超透鏡設計。

5、此外，由于根據(jù)本發(fā)明的實施方式的數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)和用于數(shù)據(jù)轉換的計算機實現(xiàn)的方法提供了用于確定候選工具位置的特殊計算策略，因此本發(fā)明的數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)和計算機實現(xiàn)的方法可以減少中央處理單元(cpu)使用、功耗和/或網(wǎng)絡帶寬。

6、根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，提供了一種用于設計超透鏡的計算機實現(xiàn)的方法。超透鏡具有超表面，超表面包括基于初步模擬數(shù)據(jù)布置在基板上的納米結構。該方法使用與存儲目標近場輪廓、超透鏡的初步模擬數(shù)據(jù)和實現(xiàn)該方法的指令的存儲器聯(lián)接的處理器，其中，初步模擬數(shù)據(jù)表示第一設計參數(shù)，第一設計參數(shù)包括關于超透鏡上的納米結構的幾何形狀和取向角。所述指令在由所述處理器執(zhí)行時執(zhí)行所述方法的步驟，所述步驟包括：將所述納米結構劃分成交疊的d-單位超單元(d-unit?supercell)，使得每個非周邊納米結構位于一個d-單位超單元的中心處；計算d-單位超單元的可微分映射函數(shù)，所述可微分映射函數(shù)通過將插值器擬合到d-單位超單元的初步模擬數(shù)據(jù)，根據(jù)超單元中的所有納米結構的設計參數(shù)預測超單元中心處的單位單元上的近場；通過使用由映射函數(shù)提供的偏導數(shù)的雅可比矩陣來求解所有設計參數(shù)的局部最優(yōu)校正，聯(lián)合調諧超透鏡中的所有單位單元的設計參數(shù)以更好地近似整個超透鏡上的目標近場分布；以及基于優(yōu)化的參數(shù)生成超透鏡的可制造設計。

7、將參考附圖進一步解釋當前公開的實施方式。所示的附圖不一定按比例繪制，而是通常將重點放在示出當前公開的實施方式的原理上。

技術特征：

1.一種用于設計超透鏡的計算機實現(xiàn)的方法，所述超透鏡具有超表面，所述超表面包括基于初步模擬數(shù)據(jù)布置在基板上的納米結構，其中，所述方法使用與存儲目標近場輪廓、所述超透鏡的初步模擬數(shù)據(jù)和實現(xiàn)所述方法的指令的存儲器聯(lián)接的處理器，其中，所述初步模擬數(shù)據(jù)表示包括關于所述超透鏡上的所述納米結構的取向角和幾何形狀的設計參數(shù)，其中，所述指令在由所述處理器執(zhí)行時執(zhí)行所述方法的步驟，所述方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述超表面被布置成單位單元的網(wǎng)格，所述單位單元的網(wǎng)格將平面劃分成矩形、六邊形、三角形或葉序形狀。

3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，所述葉序通過雙螺旋圖案形成。

4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述基板由二氧化硅制成。

5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述納米結構由二氧化鈦制成。

6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述計算步驟繼續(xù)進行，直到設計參數(shù)校正的尺度下降到制造公差以下為止。

7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，在所述計算步驟中，插值器函數(shù)被用于預測每個所述單位單元上的近場相位分布。

8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，所述計算步驟繼續(xù)進行，直到所述近場相位分布在目標誤差容限內與所述目標近場相位分布匹配為止。

9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，對所述d-單位超單元的一維子集執(zhí)行插值以獲得插值函數(shù)，并且對所獲得的插值函數(shù)求平均以提供二維d-單位超單元的梯度和預測。

10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述d-單位超單元是納米鰭集合的取向的不同組合，其中，每個所述d-單位超單元與入射波前的相互作用通過求解麥克斯韋方程來模擬。

技術總結
提供了一種用于設計超透鏡的計算機實現(xiàn)的方法。超透鏡具有超表面，超表面包括基于初步模擬數(shù)據(jù)布置在基板上的納米結構。該方法包括以下步驟：將納米結構劃分成交疊的d?單位超單元，使得每個非周邊納米結構位于一個d?單位超單元的中心處；計算d?單位超單元的可微分映射函數(shù)，該可微分映射函數(shù)通過將插值器擬合到d?單位超單元的初步模擬數(shù)據(jù)，根據(jù)超單元中的所有納米結構的設計參數(shù)預測超單元的中心處的單位單元上的近場；通過使用由映射函數(shù)提供的偏導數(shù)的雅可比矩陣來求解所有設計參數(shù)的局部最優(yōu)校正，來聯(lián)合調諧超透鏡中的所有單位單元的設計參數(shù)以更好地近似整個超透鏡上的目標近場分布；以及基于優(yōu)化的參數(shù)生成超透鏡的可制造設計。

技術研發(fā)人員：M·布蘭德,朱大宇,小島啟介
受保護的技術使用者：三菱電機株式會社
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19