案例 | 通过 Ansys Lumerical FDTD 设计优化超高数值孔径超透镜

光学透镜是光学与光电子学中的基本光学器件之一。光学透镜已广泛应用于芯片制造、超分辨科学以及众多高科技产品,其设计与制造水平一定程度上代表了光科学与技术的发展水平。

光学透镜是光学仪器的关键零件,从眼镜、相机、显微镜到望远镜等都有应用。传统光学透镜是以玻璃或其他透明材料制成,例如生活中常使用的相机是由许多传统透镜组合而成。与传统透镜相比,超透镜最大的优点就是体积非常微型化,同时实现的功能远超传统透镜,超透镜可以小到肉眼几乎不能看见,一片超透镜就可以取代相机中的透镜组。

数值孔径是光学透镜最重要的基本参量,衡量着光学系统的成像能力,一直以来,各国科学家为增加透镜的数值孔径争相努力。中山大学利用 Ansys Lumerical FDTD,在有限的时间内评估不同超构光学透镜方案并得到最佳选择,大幅节约了评估时间和成本。

挑战和需求

超透镜的厚度通常是在微纳米级,采用超透镜的产品,例如手机、相机的镜头或是监视器镜头尺寸都可以很小,产品整体体积自然可以轻量化。另外,超透镜除了可见光之外,还适用于传统透镜无法使用的光谱,例如红外光、紫外光等。

此外,因为超透镜可以采用标准的半导体元件制程技术来制造,材料也跟集成电路芯片材料相关、现有的半导体制备工艺足够应对,可实现大规模量产,且不像传统透镜需要精细打磨、抛光,因此价格比目前的镜头更便宜。

设计的超构光学透镜示意图,由不同旋转角度的微纳长方体柱排列而成,工作波长为 532 纳米

基于超构表面注1 的平面超构光学透镜,可在百纳米厚度的微纳结构上实现超大数值孔径注2显微物镜,从而克服传统光学玻璃物镜加工难度大、成像系统体积大等缺点。目前一些镜头制造过程已自动化了,但镜片工匠仍然很重要,通常需要 10-15 年的时间来培训技术人员以达到专业水平。

 
中山大学希望通过仿真工具在有限时间内评估不同的超构光学透镜方案,灵活更改超构光学透镜周围的浸没材料,模拟材料变化后超构透镜的光学性能变化,例如焦点大小和效率;仿真结果必须和实验结果相近,从而让仿真技术为超构光学透镜方案节约时间和设计成本。

加工得到的超构光学透镜在扫描电子显微镜下的图像
注 1:数值孔径是光学透镜最重要的基本参量,是衡量光学系统成像能力的标尺。对于显微物镜,数值孔径越大,成像光斑越小,成像细节越清晰。
注 2:超构表面是一种具有横向亚波长尺度的微纳光学器件,可以在不到一个光学波长的结构层上实现全 2π 相位的精确控制,从而实现对光波相位、偏振方式、传播方向等特性的灵活有效调控。

解决方案

中山大学发现 Ansys Lumerical FDTD 的能力与他们的研发需求高度契合:Lumerical 作为专业的模拟光学仿真软件,有强大的设计环境,能够为光子设计师提供具有创造性,高精确度和成本效益的设计解决方案,并能提供领先的光学设计软件和技术服务:

1,Ansys Lumerical FDTD 软件仿真解决方案,提供可靠的纳米级元素分析结果,

2,Ansys Lumerical FDTD 软件,模拟与不同情况相对应的各种组成材料和背景材料设置
3,Ansys Lumerical FDTD 实现准确模拟超构光学透镜
4,Ansys Lumerical FDTD 实现与 Ansys Zemax 软件交互集成,可以进行仿真数据互传
 

利用 Ansys Lumerical FDTD 软件仿真模拟得到的超构光学透镜的聚焦光斑强度分布图,左边为超构透镜位于空气中,右边为透镜位于油中

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Ansys Lumerical FDTD

 

实验测试与仿真模拟得到的超构光学透镜聚焦光斑强度对比,左边为超构透镜位于空气中,右边为透镜位于油中。可以看出 Ansys Lumerical FDTD 的仿真结果和实验结果很接近,证明了软件的可靠性。

最终成果

利用 Ansys Lumerical FDTD,中山大学在有限的时间内评估了不同的超构光学透镜方案,并获得了选择最佳方案的可靠数据。仿真是此项研发中的重要工具,为中山大学节约了大量方案选择时间,减少材料消耗,减少试验次数,节省人力,降低风险。

 
“Ansys Lumerical FDTD 是理想可靠的仿真工具,帮助我们快速实现对超构光学透镜设计的研究目标;它提供了前所未有的精度,可提供与测量结果紧密匹配的仿真结果。”
                                                                                                                 ——梁浩文,中山大学副教授

 

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