具有校正的相位的超透镜的制作方法

本公开总体上涉及具有超表面(metasurface)的超透镜(metalens)，更具体地涉及用于设计超透镜的系统和方法。

背景技术：

1、超表面是与电场和/或磁场相互作用的波长尺度结构的平面布置。光学超表面(即，超透镜)与可见光波长和近可见光波长相互作用，并提供对波前(wavefront)的精致控制，具有光电的实质小型化的潜力。实际上，超透镜完全缺乏理论上预测的效率，并且与传统的体透镜(bulk lenses)和反射镜相比还没有竞争力。主要设计策略是将超透镜分解成单元网格，计算每个网格单元的期望光学相位延迟，并且从预模拟纳米结构库中选择提供适当相位延迟的纳米结构。对于根据pancharatnam-berry(pb)理论的预测表现出相位延迟的纳米结构，设计问题特别简单：预期相对相位延迟随纳米结构的旋转取向线性变化。然而，在实践中，基于单位单元(unit cell)原理设计的超透镜遭受未建模的光物质相互作用和附近纳米结构之间的谐振耦合，特别是在高数值孔径(numerical aperture，na)处。因此，需要开发一种新颖的数据处理(系统)来解决上述问题。

技术实现思路

1、本公开基于以下认识：同时调谐所有单位单元的快速优化可以主要通过校正附近单元之间的相互作用来改善光学器件的近场分布和性能。这将高-na超透镜的聚焦效率提高了5％-9％，如在高分辨率fdtd模拟中验证的。

2、由于高效率和简单的设计过程(其中，每个波导的几何形状经由parabancham-berry相位的理论独立地确定)，已经证明了纳米级波导的阵列是超透镜的有吸引力设计基序(motif)。我们示出了相位延迟实际上不是独立的，并且给出导致显著更高的聚焦效率的校正。

3、本发明的一些实施方案基于以下认识：已经进行了广泛的努力来找到提供如在单位单元分解中预期的独立相移的纳米结构族。然而，在实践中，附近纳米结构之间的非预期谐振耦合干扰所实现的相位延迟远离其预期值。耦合和所产生的扰动未被很好地理解，而是被观察到降低了超透镜的效率和整体性能。

4、一些实施方式基于以下认识：计算机实现的方法从单元的小邻域的模拟构建可微分相位预测函数或电场预测函数，并且使用该函数以牛顿迭代联合优化所实现的覆盖整个超透镜的交叠邻域的相位延迟，从而获得聚焦效率的显著增加。主要领悟是(1)可以从模拟数据构建小邻域的中间单元上方的电场的可微分预测器；(2)该函数大致可分离为交叠的较小邻域的函数，因此不需要指数数量的昂贵模拟来准确地对未知物理学进行建模；(3)通过求解用于校正覆盖超透镜的交叠邻域中的纳米结构几何形状的短序列带状线性方程组，该函数的导数可以用于获得(局部)最优超透镜设计。

5、此外，由于根据本发明的实施方式的数据转换系统和用于数据转换的计算机实现的方法提供了用于确定候选工具位置的特殊计算策略，因此本发明的数据转换系统和计算机实现的方法可以减少中央处理单元(cpu)使用、功耗和/或网络带宽。

6、根据本发明的一些实施方式，提供了一种用于设计超透镜的计算机实现的方法。超透镜具有超表面，超表面包括基于初步模拟数据布置在基板上的纳米结构。该方法使用与存储目标近场轮廓、超透镜的初步模拟数据和实现该方法的指令的存储器联接的处理器，其中，初步模拟数据表示第一设计参数，第一设计参数包括关于超透镜上的纳米结构的几何形状和取向角。所述指令在由所述处理器执行时执行所述方法的步骤，所述步骤包括：将所述纳米结构划分成交叠的d-单位超单元(d-unit supercell)，使得每个非周边纳米结构位于一个d-单位超单元的中心处；计算d-单位超单元的可微分映射函数，所述可微分映射函数通过将插值器拟合到d-单位超单元的初步模拟数据，根据超单元中的所有纳米结构的设计参数预测超单元中心处的单位单元上的近场；通过使用由映射函数提供的偏导数的雅可比矩阵来求解所有设计参数的局部最优校正，联合调谐超透镜中的所有单位单元的设计参数以更好地近似整个超透镜上的目标近场分布；以及基于优化的参数生成超透镜的可制造设计。

7、将参考附图进一步解释当前公开的实施方式。所示的附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在示出当前公开的实施方式的原理上。

1.一种用于设计超透镜的计算机实现的方法，所述超透镜具有超表面，所述超表面包括基于初步模拟数据布置在基板上的纳米结构，其中，所述方法使用与存储目标近场轮廓、所述超透镜的初步模拟数据和实现所述方法的指令的存储器联接的处理器，其中，所述初步模拟数据表示包括关于所述超透镜上的所述纳米结构的取向角和几何形状的设计参数，其中，所述指令在由所述处理器执行时执行所述方法的步骤，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超表面被布置成单位单元的网格，所述单位单元的网格将平面划分成矩形、六边形、三角形或叶序形状。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述叶序通过双螺旋图案形成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基板由二氧化硅制成。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纳米结构由二氧化钛制成。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算步骤继续进行，直到设计参数校正的尺度下降到制造公差以下为止。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述计算步骤中，插值器函数被用于预测每个所述单位单元上的近场相位分布。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述计算步骤继续进行，直到所述近场相位分布在目标误差容限内与所述目标近场相位分布匹配为止。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述d-单位超单元的一维子集执行插值以获得插值函数，并且对所获得的插值函数求平均以提供二维d-单位超单元的梯度和预测。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述d-单位超单元是纳米鳍集合的取向的不同组合，其中，每个所述d-单位超单元与入射波前的相互作用通过求解麦克斯韦方程来模拟。