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(shè)計(jì)超透鏡的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、超表面是與電場和/或磁場相互作用的波長尺度結(jié)構(gòu)的平面布置。光學(xué)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(shí)質(zhì)小型化的潛力。實(shí)際上，超透鏡完全缺乏理論上預(yù)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(shè)計(jì)策略是將超透鏡分解成單元網(wǎng)格，計(jì)算每個網(wǎng)格單元的期望光學(xué)相位延遲，并且從預(yù)模擬納米結(jié)構(gòu)庫中選擇提供適當(dāng)相位延遲的納米結(jié)構(gòu)。對于根據(jù)pancharatnam-berry(pb)理論的預(yù)測表現(xiàn)出相位延遲的納米結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)問題特別簡單：預(yù)期相對相位延遲隨納米結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)取向線性變化。然而，在實(shí)踐中，基于單位單元(unit?cell)原理設(shè)計(jì)的超透鏡遭受未建模的光物質(zhì)相互作用和附近納米結(jié)構(gòu)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(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本公開基于以下認(rèn)識：同時調(diào)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(xué)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(yàn)證的。

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

3、本發(fā)明的一些實(shí)施方案基于以下認(rèn)識：已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的努力來找到提供如在單位單元分解中預(yù)期的獨(dú)立相移的納米結(jié)構(gòu)族。然而，在實(shí)踐中，附近納米結(jié)構(gòu)之間的非預(yù)期諧振耦合干擾所實(shí)現(xiàn)的相位延遲遠(yuǎn)離其預(yù)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(shí)施方式基于以下認(rèn)識：計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法從單元的小鄰域的模擬構(gòu)建可微分相位預(yù)測函數(shù)或電場預(yù)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(shí)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(lǐng)悟是(1)可以從模擬數(shù)據(jù)構(gòu)建小鄰域的中間單元上方的電場的可微分預(yù)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(zhǔn)確地對未知物理學(xué)進(jìn)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(jié)構(gòu)幾何形狀的短序列帶狀線性方程組，該函數(shù)的導(dǎo)數(shù)可以用于獲得(局部)最優(yōu)超透鏡設(shè)計(jì)。

5、此外，由于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法提供了用于確定候選工具位置的特殊計(jì)算策略，因此本發(fā)明的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)實(shí)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(luò)帶寬。

6、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，提供了一種用于設(shè)計(jì)超透鏡的計(jì)算機(jī)實(shí)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(jié)構(gòu)。該方法使用與存儲目標(biāo)近場輪廓、超透鏡的初步模擬數(shù)據(jù)和實(shí)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(shè)計(jì)參數(shù)，第一設(shè)計(jì)參數(shù)包括關(guān)于超透鏡上的納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)位于一個d-單位超單元的中心處；計(jì)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)預(yù)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(dǎo)數(shù)的雅可比矩陣來求解所有設(shè)計(jì)參數(shù)的局部最優(yōu)校正，聯(lián)合調(diào)諧超透鏡中的所有單位單元的設(shè)計(jì)參數(shù)以更好地近似整個超透鏡上的目標(biāo)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(shè)計(jì)。

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

技術(shù)特征：

1.一種用于設(shè)計(jì)超透鏡的計(jì)算機(jī)實(shí)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(jié)構(gòu)，其中，所述方法使用與存儲目標(biāo)近場輪廓、所述超透鏡的初步模擬數(shù)據(jù)和實(shí)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(guān)于所述超透鏡上的所述納米結(jié)構(gòu)的取向角和幾何形狀的設(shè)計(jì)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)利要求1所述的方法，其中，所述納米結(jié)構(gòu)由二氧化鈦制成。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述計(jì)算步驟繼續(xù)進(jìn)行，直到設(shè)計(jì)參數(shù)校正的尺度下降到制造公差以下為止。

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

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述計(jì)算步驟繼續(xù)進(jìn)行，直到所述近場相位分布在目標(biāo)誤差容限內(nèi)與所述目標(biāo)近場相位分布匹配為止。

9.根據(jù)權(quán)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(yù)測。

10.根據(jù)權(quán)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(shù)總結(jié)
提供了一種用于設(shè)計(jì)超透鏡的計(jì)算機(jī)實(shí)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(jié)構(gòu)。該方法包括以下步驟：將納米結(jié)構(gòu)劃分成交疊的d?單位超單元，使得每個非周邊納米結(jié)構(gòu)位于一個d?單位超單元的中心處；計(jì)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)預(yù)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(dǎo)數(shù)的雅可比矩陣來求解所有設(shè)計(jì)參數(shù)的局部最優(yōu)校正，來聯(lián)合調(diào)諧超透鏡中的所有單位單元的設(shè)計(jì)參數(shù)以更好地近似整個超透鏡上的目標(biāo)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(shè)計(jì)。

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