摘要
这篇文章探讨了近年来备受关注的超透镜（metalenses）这一主题。超透镜是平面透镜的一种特殊类别，与衍射透镜和菲涅耳透镜并列。我们介绍了相关概念，并展示了 VirtualLab Fusion软件在模拟和设计超透镜方面的能力。所介绍的技术和功能计划于 2025年发布。如需获取更多发布详情或关于超透镜设计与建模的咨询，请联系 support@infotek.com.cn。
本文章源自 2024 年 5 月 29 日在 Photonics Media 网络研讨会上，Frank Wyrowski 主持的 “关于超透镜的讨论” (Let’s Talk About Metalenses)讲座的文字记录和演示文稿。
第一章节 介绍
幻灯片 #4–5
LightTrans International开发了 VirtualLab Fusion 光学软件，并通过全球分销网络进行推广。VirtualLab Fusion 是一个多尺度光学仿真平台，旨在处理各种光学和光子学应用，平面透镜只是其中的一个示例。本文章重点介绍了 VirtualLab Fusion 在平面透镜领域的潜力。作为软件开发商，我们的责任是为不断扩展的客户群体提供强大的设计和建模工具，以评估和应用超透镜（metalenses）及其他平面透镜于实际应用中。在本文中，我们探讨了在软件开发过程中，将平面透镜集成到透镜系统的建模与设计中所面临的特定任务和挑战。
幻灯片 #6–7
由于光学软件依赖于精确且可靠的仿真模型，作为开发者，我们必须深入研究该主题，并全面理解其基本物理原理。这不可避免地涉及一些数学分析和方程式，它们对于严谨的讨论至关重要。然而，由于这些数学技术已被集成到 VirtualLab Fusion 中，因此使用该软件进行实际任务的用户无需掌握相关的基础物理知识。
除了理论概念的探讨之外，本文章还将包含多个仿真和设计示例。在结束这段介绍时，我们希望强调，LightTrans International 在平面透镜（包括超透镜（metalenses））的重要性问题上保持中立立场。我们的使命是为您提供强大的软件工具，使您能够在工作中探索平面透镜技术的意义和应用。
图1.幻灯片#6
第二章节 多尺度的光学仿真
幻灯片 #9–10
超表面（Metasurfaces）利用具有高折射率的纳米结构（通常称为meta-atoms或者metacells），排列在折射率较低的基底上。这一方法早已被提出 [2]，但近年来再次引起广泛关注 [3]。如果希望对该领域有初步深入的了解，建议阅读 Lalanne 和 Chavel 撰写的综述文章 [4]。此外，还推荐 Yang Fan 等人 撰写的教程 [6]，其中包含大量补充参考资料。
幻灯片 #11–12
由于超表面（metasurfaces）由纳米结构组成，显然几何光学方法并不适用。相反，必须采用基于麦克斯韦方程组（Maxwell’s equations）的电磁场理论，即通常所称的物理光学（physical optics）。因此，在透镜系统中整合超透镜（metalenses）或其他平面透镜，与传统透镜曲面及其他光学元件结合，会形成一个多尺度系统（multiscale system）。这就需要一种跨尺度的光学建模方法，通常称为多尺度光学仿真（multiscale optical simulation）。简单来说，必须强调的是：多尺度仿真无法仅通过数据接口将多个光学软件工具连接在一起实现。 相反，它需要一个全面的策略，基于高阶物理光学理论，为光学软件提供坚实的理论基础。对不同尺度的光学系统进行建模，需要在统一的物理光学框架内集成多种不同的仿真模型。这正是我们在 VirtualLab Fusion 软件中所采用的方法。
图2.幻灯片#14
幻灯片 #13–15
在 VirtualLab Fusion 的众多技术创新中，几何光学在电磁场建模方面的进步使其能够顺利与其他物理光学仿真技术相结合。为了实现这一目标，我们遵循了 Max Born 和 Emil Wolf 数十年前提出的指导原则 [1]，他们曾强烈建议将几何光学的基础扩展至电磁场。通过采用我们统一的多尺度仿真（multiscale simulation）方法，可以无缝衔接传统透镜曲面的几何光学建模与超透镜（metalens）的高级仿真模型。这种方法在 VirtualLab Fusion 中实现了前所未有的多尺度仿真速度。
图3.幻灯片#17
幻灯片 #22
在 VirtualLab Fusion 的多尺度仿真框架中，整合超透镜（metalenses）的主要挑战在于创建一个能够与其他光学元件（如传统透镜）的仿真模型无缝交互的超透镜仿真模型。在探讨我们如何应对这一挑战之前，我们需要先回答一个关键问题：将平面透镜集成到光学设计中，预期会带来哪些结果？
第三章节 超透镜的潜在应用
幻灯片 #24–29
为了解答这个问题，我们首先做出一些基本观察。为了生成物点图像，例如轴向物点图像，我们设计一个合适的曲面。将这个曲面替换为平面透镜不会改变物面和像面的距离。因此，平面透镜的形状变化不会减少系统的长度。接下来，我们添加另一个物点，这需要一个不同的曲面来实现精确成像。单一曲面无法准确成像多个物点。因此，增加更多的曲面来校正像差是至关重要的，这在透镜设计中是一个公认的概念。目前没有证据表明平面透镜可以消除这一需求。为了进一步理解，我们考虑一个光束扩展器的设计。在这种情况下，初始透镜用于将入射平面相位转换为聚焦或发散的球面相位。以发散情况为例。第二个透镜用于将入射光准直。因此，需要使用两个透镜。光束扩束的程度由透镜间的距离 d 和它们的数值孔径决定。平面透镜的使用并不会改变这一结果。
图4.幻灯片#42
幻灯片 #30–40
基于这些观察和其他因素，我们得出以下结论：
• 平面透镜能够减少透镜的厚度和重量。平面透镜的薄型设计为缩短透镜表面间距提供了更多可能性。传统透镜表面的厚度限制了透镜表面彼此之间的最小距离，而这一限制在平面透镜中可以去除。
• 平面透镜的制造方法不同于传统透镜，这在某些特定场景下可能带来好处。
• 平面透镜可能为可切换透镜提供新的机会。将厚透镜表面替换为平面表面，改变了系统中的像差动态，这可能增强基于特定场景的像差校正能力。使用具有强烈对立色差的衍射透镜来对抗平滑透镜表面的色差，就是这一潜力的一个典型例子。
• 平面透镜的一些特性，如其偏振敏感功能，可能被视为有益或有害，具体取决于使用场景。本文后续将展示一个例子，说明偏振敏感性的应用。
• 综合这些观察，没有迹象表明平面透镜（包括超表面透镜）在缩短光学系统的总长度或减少透镜表面数量方面，能超越非球面和自由曲面的能力。
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