【光学】基于matlab生成超表面布局并模拟超透镜作为点源的叠加

基于Matlab的超表面布局与超透镜仿真

原创于 2025-09-07 11:13:17 发布 · 968 阅读

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🔥 内容介绍

超表面（Metasurface）作为由亚波长单元阵列构成的二维人工电磁结构，可通过调控单元的几何参数（如尺寸、形状、旋转角度）实现对电磁波振幅、相位、偏振态的精准操控，具有 “超薄、轻量化、功能集成度高” 的优势，在超透镜、全息成像、波束成形、光通信等领域展现出巨大应用潜力。其中，超透镜（Metalens）作为超表面的典型应用，通过设计单元相位分布，可将入射光聚焦于指定区域，替代传统曲面透镜，解决传统透镜 “体积大、重量重、加工复杂” 的缺陷。

在光学成像与光场调控中，“超透镜作为点源叠加” 是实现复杂光场生成的核心手段 —— 通过多个超透镜单元分别作为独立点源，其辐射光场在空间中叠加形成预设光场分布（如平面波、球面波、涡旋光场）。然而，超表面布局的合理性直接决定点源叠加的精度：单元排列密度、相位分布误差、单元间耦合效应会显著影响叠加光场的均匀性与聚焦性能。因此，研究超表面布局设计方法与超透镜点源叠加仿真技术，对推动超表面在高精度光学系统中的应用具有重要理论与工程意义。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

addpath([current_fol,'/SubFunctions/']);

fname_T = [folder_path,input.inputName_T];

fname_Phase = [folder_path,input.inputName_Phase];

plot_focalField = input.plot_focalField;

plot_focusingField = input.plot_focusingField;

outputlist = input.outputlist;

outputname = [input.output_path,input.output_name];

% Read data from S4 calculation

% (i,j) is 500+10*i nm height and 100+1*j nm radius

all_T = readmatrix(fname_T);

all_Phase = readmatrix(fname_Phase);

height = input.height;

rowIndex = (height-input.heightRange(1))/input.heightStep+1;

T = all_T(rowIndex,:);

Phase = all_Phase(rowIndex,:);

R_range = [input.radiusRange(1):input.radiusStep:input.radiusRange(2)];

% Parameters

period = input.period;

lens_size = input.size;

% 'Radius' or 'Length' of metalens (circle or square)

center=input.center; % middle point of the pattern

neff = input.neff; % effective index derived from FDTD

wavelength = 1.55;

use_prop_phase=input.prop_phase;

decay = input.dacay;

decay_rate = 0.5; % The ramaining power in the waveguide.

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

[atomPos_X,atomPos_Y] = squarePos([0,0],period,lens_size);

size_array = size(atomPos_X);

%diff = [ones(1,N*N)*N*period;zeros(1,N*N)];

% Use 3 squares to create a rectangle(20um*60um lens)

%atomPos = cat(2,atomPos-diff,atomPos,atomPos+diff);

🔗 参考文献

**Ping-Yen Hsieh**, Shun-Lin Fang, Yu-Siang Lin, Wen-Hsien Huang, Jia-Min Shieh, Peichen Yu, and You-Chia Chang *Optics Express* 31, 12487-12496 (2023)

**Ping-Yen Hsieh**, Shun-Lin Fang, Yu-Siang Lin, Wen-Hsien Huang, Jia-Min Shieh, Peichen Yu, and You-Chia Chang *Nanophotonics* 11, 4687-4695. (2022)