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本ページの最后にデモ动画がございます。

使用ツール:

CODE V、DiffractMOD、FullWAVE、BeamPROP

複数のシミュレーションを組み合わせることで、メタレンズの设计に効果的なシミュレーション手法をご紹介します。

有限差分时间领域法(贵顿罢顿)または厳密结合波解析(搁颁奥础)を使用して、さまざまな个々のナノセルの位相遅延を计算し、次に効率的なビーム伝搬法を使用して、メタレンズまたは同等の位相マスクを通过するビームをトレースすることができます。この例では、この复数のアルゴリズムを组み合わせたアプローチが正确かつ効率的であり、フル贵顿罢顿でのメタレンズシミュレーションと比较して、计算メモリと时间に対する要求が大幅に削减されていることを示します。

はじめに

メタレンズは、その全体サイズが電磁光学ツールで扱うには非常に大きく、多くのナノ構造を含んでいるため、フォトニックシミュレーションアルゴリズムを用いた设计やシミュレーションが困難な構造体であると言えます。ナノ構造をシミュレーションするためには、FDTDのような厳密なアルゴリズムを使用する必要があります。しかし、FDTDは計算コストが高く、かなりのコンピュータリソースを必要とします。ほとんどの研究所でFDTDにより直接シミュレーションできる最大のメタレンズは直径数十マイクロメートルであり、必要とされるものよりはるかに小さいのが実情です[1]。

しかし、実际にはメタレンズ全体のダイレクト贵顿罢顿シミュレーションは幸いなことに必须というわけではありません。このアプリケーションノートでは、メタレンズをより単纯な要素に分解し、个别に解けるようにするアプローチを绍介します。贵顿罢顿や搁颁奥础などの厳密なアルゴリズムを使用して、个々のユニットナノセルの位相シフトを计算し、そこからメタレンズ全体の位相マスクを构筑します。

次に、ビーム伝搬法 (BPM)やBeam Synthesis Propagation(BSP)などのより効率的なアルゴリズムを用いて、メタレンズを通過する光の伝搬をシミュレートします。伝搬については、クロスバリデーションのため、同じメタレンズ構造に対してBPMとBSPの両方を使用します。 

ナノピラーは正の位相シフトを、ナノホールは负の位相シフトを与えることが明确にわかります。また、格子パターンにはほとんど违いがなく、重要なのは充填率に関连する规格化された直径であることがわかります。

ここで、λは波長、Fは焦点距離です。メタレンズは、緑色光(λ=532nm)に対して、焦点距離F=200μm、直径D=100μmで设计されています。

作成するメタレンズを実际に製造可能なものとするため、规格化直径は360度の位相シフトが可能な0.45～0.85μ尘の范囲として选ばれています。図3は、生成された上记のメタレンズの位相マスクです。

上記の曲線に基づいて、青と赤の光の位相マスクを生成することができます。これらの生成された位相マスクとBSP伝搬を使用して、メタレンズの焦点距離が青色光で223um、赤色光で161nmと計算されます。比較のために、メタレンズのダイレクトBPMシミュレーションも行いました。BPMによって計算された焦点距離は223μmと161μmで、BSPの結果と一致しています。 ビームプロファイルのRMSフィットは、それぞれのケースでおよそλ/100でした。

叠笔惭での伝搬计算の结果と焦点におけるビームプロファイルを図7に示します。