基于Lumerical fdtd的超透镜设计(介质天线结构和金属谐振结构)

超透镜是一种通过控制表面纳米结构来调制光束的幅度和相位，进而实现波前操控（如光束偏转、光束聚焦和偏振分束等）的新型技术，现有的超透镜设计一般分为介质天线结构和金属谐振结构两种。

一、介质天线结构

对于超透镜的各种应用来说，首先需要超透镜的单元，即介质天线结构的透过相位可以在360°的相位范围内进行自由调制。因此，我们第一步要做的便是对不同结构参数下的超透镜单元进行仿真模拟，并输出其扫描相位结果，如图1所示为简单的矩形介质结构超表面通过脚本扫描得到的结果。在这一过程中，通常需要点监视器、面监视器以及其他监视器的协同，并通过脚本或者FDTD自带的扫描功能对相位结果进行输出。

图 1 不同结构参数下的相位扫描图

在论文的复现或者书写过程中，一般还会对结构的电场、磁场或者相位进行对比和输出，因此也需要利用软件对一些关键的场强分布进行模拟和输出，如图2所示为两个不同结构参数下的磁场分布和截面相位分布图，从相位分布图中可以看出通过改变结构参数，其透过率相位发生了一定程度的偏移，这便是后续进行超透镜整体建模的基础。在这一过程中，一般仅涉及入门板块中各监视器输出图像的内容以及相关后处理的操作。

图2 两个不同结构参数下的截面磁场分布和截面相位分布图

二、金属谐振结构

除了这种介质天线结构外，还有大量的研究集中于金属谐振结构，如图3所示，这种结构的仿真思路基本第一种结构相同，仅存在部分细节的不同。

图3 金属谐振谐振结构和FDTD仿真域

对于金属谐振结构来说，一般将其反射相位作为超透镜阵列调控的参数，因此需要对结构的反射率以及反射相位进行仿真模拟，如图3所示为普通矩形金结构在宽波长范围下的反射率和反射相位曲线（通常需要对该曲线进行后处理，使其直接输出角度制的相位）。

图4 金属谐振结构在宽波长范围下的反射率曲线和反射相位曲线

同样，也可以对金属谐振结构表面的电场和磁场进行模拟和输出，如图5所示。这一步骤与超材料吸波体、电磁诱导透明和超材料滤波器等器件的模拟基本一致。与介质天线结构类似，后续也需要对不同参数下的金属谐振结构进行扫描并将其相位进行输出，以便后续超透镜的相关设计。

图5 金属谐振结构的表面电场图和磁场实部图

以上工作准备完成后，我们才可以根据超透镜的功能需求对其阵列进行设计以及相关的建模和仿真工作.

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