摘要
這篇文章探討了近年來(lái)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(lèi)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軟件在模擬和設計超透鏡方面的能力。所介紹的技術(shù)和功能計劃于 2025年發(fā)布。如需獲取更多發(fā)布詳情或關(guān)于超透鏡設計與建模的咨詢(xún)，請聯(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，Frank 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 介紹
幻燈片 #4–5
LightTrans International開(kāi)發(fā)了 VirtualLab Fusion 光學(xué)軟件，并通過(guò)全球分銷(xiāo)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(kāi)發(fā)商，我們的責任是為不斷擴展的客戶(hù)群體提供強大的設計和建模工具，以評估和應用超透鏡（metalenses）及其他平面透鏡于實(shí)際應用中。在本文中，我們探討了在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將平面透鏡集成到透鏡系統的建模與設計中所面臨的特定任務(wù)和挑戰。
幻燈片 #6–7
由于光學(xué)軟件依賴(lài)于精確且可靠的仿真模型，作為開(kāi)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學(xué)分析和方程式，它們對于嚴謹的討論至關(guān)重要。然而，由于這些數學(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(hù)無(wú)需掌握相關(guān)的基礎物理知識。
除了理論概念的探討之外，本文章還將包含多個(gè)仿真和設計示例。在結束這段介紹時(shí)，我們希望強調，LightTrans International 在平面透鏡（包括超透鏡（metalenses））的重要性問(wèn)題上保持中立立場(chǎng)。我們的使命是為您提供強大的軟件工具，使您能夠在工作中探索平面透鏡技術(shù)的意義和應用。
圖1.幻燈片#6
第二章節 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構（通常稱(chēng)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(lái)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(xiě)的綜述文章 [4]。此外，還推薦 Yang Fan 等人 撰寫(xiě)的教程 [6]，其中包含大量補充參考資料。
幻燈片 #11–12
由于超表面（metasurfaces）由納米結構組成，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(chēng)的物理光學(xué)（physical optics）。因此，在透鏡系統中整合超透鏡（metalenses）或其他平面透鏡，與傳統透鏡曲面及其他光學(xué)元件結合，會(huì )形成一個(gè)多尺度系統（multiscale system）。這就需要一種跨尺度的光學(xué)建模方法，通常稱(chēng)為多尺度光學(xué)仿真（multiscale optical simulation）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，必須強調的是：多尺度仿真無(wú)法僅通過(guò)數據接口將多個(gè)光學(xué)軟件工具連接在一起實(shí)現。 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)軟件提供堅實(shí)的理論基礎。對不同尺度的光學(xué)系統進(jìn)行建模，需要在統一的物理光學(xué)框架內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。
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)相結合。為了實(shí)現這一目標，我們遵循了 Max Born 和 Emil Wolf 數十年前提出的指導原則 [1]，他們曾強烈建議將幾何光學(xué)的基礎擴展至電磁場(chǎng)。通過(guò)采用我們統一的多尺度仿真（multiscale simulation）方法，可以無(wú)縫銜接傳統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）的主要挑戰在于創(chuàng )建一個(gè)能夠與其他光學(xué)元件（如傳統透鏡）的仿真模型無(wú)縫交互的超透鏡仿真模型。在探討我們如何應對這一挑戰之前，我們需要先回答一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：將平面透鏡集成到光學(xué)設計中，預期會(huì )帶來(lái)哪些結果？
第三章節 超透鏡的潛在應用
幻燈片 #24–29
為了解答這個(gè)問(wèn)題，我們首先做出一些基本觀(guān)察。為了生成物點(diǎn)圖像，例如軸向物點(diǎn)圖像，我們設計一個(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 )減少系統的長(cháng)度。接下來(lái)，我們添加另一個(gè)物點(diǎn)，這需要一個(gè)不同的曲面來(lái)實(shí)現精確成像。單一曲面無(wú)法準確成像多個(gè)物點(diǎn)。因此，增加更多的曲面來(lái)校正像差是至關(guān)重要的，這在透鏡設計中是一個(gè)公認的概念。目前沒(méi)有證據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)光束擴展器的設計。在這種情況下，初始透鏡用于將入射平面相位轉換為聚焦或發(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直。因此，需要使用兩個(gè)透鏡。光束擴束的程度由透鏡間的距離 d 和它們的數值孔徑?jīng)Q定。平面透鏡的使用并不會(huì )改變這一結果。
圖4.幻燈片#42
幻燈片 #30–40
基于這些觀(guān)察和其他因素，我們得出以下結論：
• 平面透鏡能夠減少透鏡的厚度和重量。平面透鏡的薄型設計為縮短透鏡表面間距提供了更多可能性。傳統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透鏡，這在某些特定場(chǎng)景下可能帶來(lái)好處。
• 平面透鏡可能為可切換透鏡提供新的機會(huì )。將厚透鏡表面替換為平面表面，改變了系統中的像差動(dòng)態(tài)，這可能增強基于特定場(chǎng)景的像差校正能力。使用具有強烈對立色差的衍射透鏡來(lái)對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。本文后續將展示一個(gè)例子，說(shuō)明偏振敏感性的應用。
• 綜合這些觀(guān)察，沒(méi)有跡象表明平面透鏡（包括超表面透鏡）在縮短光學(xué)系統的總長(cháng)度或減少透鏡表面數量方面，能超越非球面和自由曲面的能力。
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