超表面单元结构参数扫描以及嵌套扫面操作流程分享

叫我阿圣就好

本人在光设方向为新人，专业方向为超表面，想为论坛做出点贡献，看到现在已有超表面仿真案例分享，故准备做一期基础的超表面单元结构参数的扫描贴，主要工作为超表面全息、单像素成像、汇聚超表面、斡旋光超表面的仿真，论文发表在AO（ Single-pixel imaging based on metasurface fuzzy coding）。
言归正传，新手在对超表面文章进行复现或者自己想设计一个超表面时，第一步是对文章中的单元结构进行扫描仿真，常见的相位型超表面通过改变单元结构的特定参数实现对光场相位的二派全覆盖从而实现想要达到的全息、汇聚等效果，不仅要考虑到相位的全覆盖同时还要保证单元结构的透射率，不然必然导致光学效率较低，因此扫描需要得到的结果通常是参数与相位和透射率之间的关系。常见的结构有纳米砖、圆柱体、椭圆柱等单元结构，本帖选择的单元结构为氮化硅纳米柱（参数来自论文 Dielectric Huygens’ Metasurface for High-Efficiency Hologram Operating in Transmission Mode），周期为450nm，波长为785nm，对半径和高度进行嵌套扫描。
首先放置基底为二氧化硅，因为浸没在与二氧化硅折射率一致的液体中因此我们选择使用二氧化硅包裹单元结构，设置硅圆柱体，设置FDTD仿真区域，仿真区域的x span和y span为周期，如图所示。


由于我们使用的结构是轴对称结构，在边界条件中勾选allow symmetry on all boundaries，并在x、y方向选择对称仿真。（原理参考：FDTD solver - Simulation Object – Ansys Optics）。


接着打开分析组，选择高级分析里面的格栅s参数分析组，该分析组专门计算周期结构的超表面单元结构相位和透射率。分析组的使用方法在脚本里有详细的注释，在此就不再赘述。


最重要的就是扫描的设置，我们扫描的变量需要设置为我们的高度和半径，但是若将变量放置在同一个扫描中则会导致高度和半径同时变化，达不到想要的每个半径对应所有高度参数的扫描，因此需要设置嵌套扫描，值得注意的是嵌套扫描中的子扫描只能选择前扫描的结果，所以提前要将相位S和T选好。单扫描一个参数设置以及结果。


嵌套扫描参数设置以及结果。


论文中扫描结果，细微差异是我为了节省时间网格划分不够精细导致的。


文件已附上

风间琉璃

前辈这应该是传输性相位设置的超透镜吧 旋转角不变 然后扫参 出现2Π范围的相位  不知道前辈有没有了解过超透镜消色差呢 或者能不能出一些该方面的回答欣赏欣赏呢 可以贡献金币

叫我阿圣就好

风间琉璃 发表于 2025-2-25 20:35
前辈这应该是传输性相位设置的超透镜吧 旋转角不变 然后扫参 出现2Π范围的相位  不知道前辈有没有了解过超 ...

对的，但是我自己的结构是纳米柱，所以没旋转角，超透镜消色差的话我了解的不多，看过的文献基本上是多种单色光消色差，一般是使用大的周期单元放置多个只对一种单色光敏感的小单元集合而成，要连续波段消色差的话好像是用相位位拟合的方式去消色差，具体操作你可以上知网看看相关的毕业论文会讲的比较详细

syuan

前辈 请问为什么我这个透射率图出来是反过来的  另外相位图需要从哪里看呀 谢谢！

风间琉璃

叫我阿圣就好 发表于 2025-2-27 14:22
对的，但是我自己的结构是纳米柱，所以没旋转角，超透镜消色差的话我了解的不多，看过的文献基本上是多种 ...

前辈有个问题你这里 相位是单调递增得 但是我扫出来没有单调性 这个该怎么调控呢？ 或者说当我目前扫描一个参数的范围不够满足2Π时 下一步的方法又是什么呢？望不吝赐教

叫我阿圣就好

syuan 发表于 2025-3-7 17:11
前辈 请问为什么我这个透射率图出来是反过来的  另外相位图需要从哪里看呀 谢谢！ ...

这个不影响吧，你可以同时加二派或者减去二派都是可以的

叫我阿圣就好

风间琉璃 发表于 2025-3-16 15:28
前辈有个问题你这里 相位是单调递增得 但是我扫出来没有单调性 这个该怎么调控呢？ 或者说当我目前扫描一 ...

换结构或者改参数范围