Meta Studio：全面的超透鏡設(shè)計(jì)、仿真和版圖解決方案

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
, s$ w+ }5 F+ r' c. p& a( a超透鏡技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大潛力，在成像、傳感和通信等多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)變革。為了促進(jìn)這種先進(jìn)光學(xué)元件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，逍遙科技開(kāi)發(fā)了Meta Studio軟件套件來(lái)簡(jiǎn)化超透鏡的設(shè)計(jì)過(guò)程。本文將指導(dǎo)您了解Meta Studio的主要特性和功能，展示如何利用該軟件創(chuàng)建高效且有效的超透鏡設(shè)計(jì)。

Meta Studio簡(jiǎn)介
Meta Studio是集成解決方案，將超透鏡設(shè)計(jì)的各個(gè)方面整合在一起，從初始概念到最終版圖生成。該軟件融合了多種先進(jìn)算法和理論模型，包括粒子群優(yōu)化算法、物理光學(xué)、傅里葉光學(xué)、角譜衍射、時(shí)域有限差分法（FDTD）和嚴(yán)格耦合波分析（RCWA）。

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圖1：Meta Studio中使用的物理光學(xué)角譜衍射方法示意圖。
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. {4 R) U0 U4 m/ H9 l, RMeta Studio的核心優(yōu)勢(shì)在于能夠簡(jiǎn)化復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程，使工程師和研究人員更容易使用。通過(guò)利用物理光學(xué)方法進(jìn)行相位設(shè)計(jì)，并對(duì)超原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)值模擬，該軟件確保了超透鏡設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率。
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2 l# |, o; h1 G* {& m) SMeta Studio的主要功能
+ d9 c7 r5 o! n5 z# i9 D& j7 |Meta Studio提供了全面的超透鏡設(shè)計(jì)工具，包括：
1. 相位設(shè)計(jì)：用戶可以為各種超透鏡應(yīng)用創(chuàng)建自定義相位分布。
) l" _  ^5 `9 {1 H9 \- Z' S% P3 N2. 超原子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：用戶可以設(shè)計(jì)和優(yōu)化構(gòu)成超透鏡的各個(gè)超原子結(jié)構(gòu)。
3. 焦平面和傳播平面場(chǎng)分布：Meta Studio提供了不同平面上光場(chǎng)分布的詳細(xì)計(jì)算。
, o. l' z" r7 R: R* a4. GDS導(dǎo)出：軟件可以生成符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的GDS文件，用于制造目的。
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圖2：使用Meta Studio設(shè)計(jì)的不同超表面器件示例。
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這些功能使得創(chuàng)建各種超表面器件成為可能，包括雙曲相位透鏡、超分辨率聚焦透鏡、無(wú)衍射光束相位表面和準(zhǔn)直器。
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Meta Studio的設(shè)計(jì)工作流程
Meta Studio的典型設(shè)計(jì)工作流程包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：
' k. T. o+ m' a0 n- g$ W1. 確定設(shè)計(jì)目標(biāo)：指定超透鏡所需的功能和性能指標(biāo)。
* D5 |( I5 m8 K2 m) Q$ I' _2. 超原子參數(shù)設(shè)計(jì)：設(shè)置超原子的結(jié)構(gòu)類型、幾何參數(shù)和材料屬性。
) G0 g" }3 u' p3. 優(yōu)化超原子庫(kù)：自動(dòng)模擬和選擇特定材料和頻率下的最佳超原子結(jié)構(gòu)。
4. 目標(biāo)相位設(shè)計(jì)：根據(jù)所需功能設(shè)計(jì)或優(yōu)化相位分布。
3 o5 y8 y  Y. h/ }: ^" M5 ~5. 仿真和驗(yàn)證：對(duì)排列好的超表面進(jìn)行光學(xué)仿真，驗(yàn)證其性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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圖3：Meta Studio中超表面設(shè)計(jì)過(guò)程的流程圖。
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( w8 u2 K% e2 }' d* C對(duì)于更高級(jí)的應(yīng)用，Meta Studio還支持逆向設(shè)計(jì)過(guò)程：
- i2 U4 Y& ]8 E& v1 p: Y1 N; i+ N) U% z1. 定義優(yōu)化成本函數(shù)：制定包含所需性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)。
" L* R4 ^' l" ?) R6 e7 w2. 初始超表面設(shè)計(jì)：使用超原子庫(kù)創(chuàng)建初始設(shè)計(jì)。
0 S& m& ^0 a- b, P/ S3. 正向仿真和評(píng)估：進(jìn)行仿真并評(píng)估成本函數(shù)。
4. 梯度計(jì)算和設(shè)計(jì)更新：計(jì)算梯度并迭代更新設(shè)計(jì)。
0 V, ^2 e( B, _' Z0 V5. 最終驗(yàn)證：一旦設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行最終仿真以驗(yàn)證結(jié)果。


圖4：Meta Studio中超表面逆向設(shè)計(jì)過(guò)程的流程圖。
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' E1 W4 w, O/ L# b  \7 }# p案例研究
為了展示Meta Studio的功能，讓我們來(lái)看三個(gè)使用該軟件創(chuàng)建的超表面設(shè)計(jì)案例。
1. 雙曲相位透鏡
設(shè)計(jì)了一個(gè)具有以下參數(shù)的雙曲相位透鏡：

波長(zhǎng)：633 nm

超表面直徑：30λ

焦距：10λ

超原子周期：320 nm

4級(jí)離散相位控制
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圖5：雙曲相位透鏡的器件版圖和聚焦示意圖。

設(shè)計(jì)過(guò)程包括相位設(shè)計(jì)、超原子結(jié)構(gòu)優(yōu)化和GDS文件導(dǎo)出。結(jié)果使用Ansys FDTD仿真進(jìn)行驗(yàn)證，顯示Meta Studio的預(yù)測(cè)與全波仿真結(jié)果高度一致。

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圖6：雙曲相位透鏡的Meta Studio結(jié)果與FDTD仿真的對(duì)比。

" k( }2 |7 R* T" ~" J/ Q& x2. 無(wú)衍射錐透鏡
創(chuàng)建了一個(gè)具有以下規(guī)格的無(wú)衍射錐透鏡：
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波長(zhǎng)：633 nm

超表面直徑：30λ

錐角：45°

超原子周期：320 nm

4級(jí)離散相位控制
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圖7：無(wú)衍射錐透鏡的器件版圖和聚焦示意圖。

$ o& P/ y# j$ U- f0 Y4 K* o" b設(shè)計(jì)過(guò)程與雙曲透鏡類似，包括相位設(shè)計(jì)、超原子優(yōu)化和GDS導(dǎo)出。FDTD仿真再次確認(rèn)了Meta Studio結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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0 m" D0 N$ h& ~# H6 {圖8：無(wú)衍射錐透鏡的Meta Studio結(jié)果與FDTD仿真的對(duì)比。
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, ~/ u( _: U7 O2 ~- \6 h3. 準(zhǔn)直器
設(shè)計(jì)了一個(gè)具有以下參數(shù)的超表面準(zhǔn)直器：
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波長(zhǎng)：905 nm

超表面直徑：28λ

出射角：13°

光源位置：-175 μm（透鏡位于0處）

超原子周期：450 nm

4級(jí)離散相位控制
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1 p7 T# N1 [, F圖9：超表面準(zhǔn)直器的器件版圖和準(zhǔn)直示意圖。

, B9 W; I3 T* w7 q* I! J  f2 ^# T準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)展示了Meta Studio處理更復(fù)雜光學(xué)功能的能力。使用點(diǎn)光源的FDTD仿真驗(yàn)證了結(jié)果，展示了出色的準(zhǔn)直性能。


圖10：Meta Studio和FDTD仿真得到的準(zhǔn)直波前相位對(duì)比。
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$ x1 }" V( ?, @% }結(jié)論
  E( v5 U- m. l- TMeta Studio為超表面器件的設(shè)計(jì)、仿真和版圖生成提供了強(qiáng)大且用戶友好的平臺(tái)。通過(guò)集成先進(jìn)算法、物理模型和優(yōu)化技術(shù)，使研究人員和工程師能夠高效地創(chuàng)建復(fù)雜的超透鏡設(shè)計(jì)。
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5 H9 k" A0 S, j( h$ t, i) h( {所展示的案例研究證明了Meta Studio在各種超表面應(yīng)用中的多功能性和準(zhǔn)確性。從簡(jiǎn)單的聚焦透鏡到復(fù)雜的無(wú)衍射光束和準(zhǔn)直器，該軟件提供了與嚴(yán)格的全波仿真高度一致的可靠結(jié)果。

隨著超表面領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，Meta Studio在加速創(chuàng)新和縮小理論概念與實(shí)際實(shí)現(xiàn)之間的差距方面將發(fā)揮重要作用。無(wú)論您是在研究成像系統(tǒng)、光束整形還是新型光學(xué)器件，Meta Studio都提供了全面的解決方案，以簡(jiǎn)化您的超表面設(shè)計(jì)工作流程。
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我們誠(chéng)摯歡迎您申請(qǐng)?jiān)囉肕eta Studio軟件，我們期待聽(tīng)到您的意見(jiàn)和建議，以確保Meta Studio能夠更好地滿足超表面設(shè)計(jì)社群的需求。無(wú)論您是經(jīng)驗(yàn)豐富的研究人員還是剛剛接觸這一領(lǐng)域的新手，您的觀點(diǎn)都將對(duì)我們的開(kāi)發(fā)過(guò)程產(chǎn)生重要影響。請(qǐng)通過(guò)我們的官方網(wǎng)站或聯(lián)系我們的技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)來(lái)申請(qǐng)?jiān)囉冒姹�，讓我們攜手推動(dòng)超表面技術(shù)的發(fā)展。

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9 U/ X' g% ^  U軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
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