宽带任意阶 完美涡旋光束 超表面模型 fdtd仿真 复现论文：2021年LPR：Generat...

宽带任意阶 完美涡旋光束 超表面模型 fdtd仿真 复现论文2021年LPRGeneration of Perfect Vortex Beams by Dielectric Geometric Metasurface 论文介绍全介质超表面实现宽带任意阶次完美涡旋光束的产生完美涡旋光束是涡旋光束的一种其涡旋图像不随着拓扑荷l的变化而变化同时可以通过调节参数实现拓扑图像从圆变向椭圆的过程应用于光学加密和全息等领域。 案例内容主要包括文章的两种完美涡旋光束生成的超表面模型一种是不同阶次的完美涡旋光产生其涡旋图案基本不变另一种是改变参数a和b其涡旋图案变成椭圆。 所有结构采用二氧化钛介质单元执行几何相位来构建 案例包括fdtd模型、fdtd设计脚本、Matlab计算代码和复现结果以及一份word教程附带计算多种理论结构光场相位分布的脚本可以得到任意涡旋光、贝塞尔光和完美涡旋光束。清晨调试代码的时候突然发现在FDTD里生成的完美涡旋光斑居然自己会变形术。就像哈利波特里的变形课教授说的改变形态不改变本质这才是高阶魔法。今天要聊的这个超表面设计正是用二氧化钛纳米柱玩出了类似的相位魔术。咱们先拆解核心套路——几何相位超表面。每个二氧化钛纳米柱就像个微型方向盘当圆偏振光打上去时它们的旋转角度直接决定了出射光的相位延迟。这里有个绝妙的关系式φ2θ其中θ是纳米柱的旋转角度。通过排列这些方向盘的角度分布就能在平面上编织出想要的相位图案。来看第一个Matlab相位生成代码片段function phase PV_phase(l, a, b, x, y) rho sqrt((x/a).^2 (y/b).^2); phase mod(l*atan2(y, x) 2*pi*rho, 2*pi); end这个函数藏着三个玄机拓扑荷数l控制相位旋绕次数a和b这对孪生参数负责拉伸空间坐标。当a≠b时原本规整的同心圆环相位就会像橡皮泥一样被拉成椭圆。参数rho的计算方式很有意思它把笛卡尔坐标系下的坐标用椭圆方程归一化了相当于在数学上做了空间变形。宽带任意阶 完美涡旋光束 超表面模型 fdtd仿真 复现论文2021年LPRGeneration of Perfect Vortex Beams by Dielectric Geometric Metasurface 论文介绍全介质超表面实现宽带任意阶次完美涡旋光束的产生完美涡旋光束是涡旋光束的一种其涡旋图像不随着拓扑荷l的变化而变化同时可以通过调节参数实现拓扑图像从圆变向椭圆的过程应用于光学加密和全息等领域。 案例内容主要包括文章的两种完美涡旋光束生成的超表面模型一种是不同阶次的完美涡旋光产生其涡旋图案基本不变另一种是改变参数a和b其涡旋图案变成椭圆。 所有结构采用二氧化钛介质单元执行几何相位来构建 案例包括fdtd模型、fdtd设计脚本、Matlab计算代码和复现结果以及一份word教程附带计算多种理论结构光场相位分布的脚本可以得到任意涡旋光、贝塞尔光和完美涡旋光束。FDTD建模时有个坑要注意纳米柱的占空比。我试过用脚本批量生成不同尺寸的纳米柱for i1:Nx for j1:Ny create_rect(x_pos[i], y_pos[j], width[i][j], height[i][j]); set_material(TiO2); set_rotation(angle[i][j]); end end这里width和height不是固定值而是根据目标相位梯度动态调整的。太密集会导致相邻纳米柱耦合太稀疏又会降低效率。经过多次试错发现当纳米柱间距保持在400nm左右时在可见光波段表现最佳。仿真结果验证阶段有个惊艳现象当保持a/b1时即便拓扑荷从l3变到l5光斑直径几乎不变。这完美印证了论文说的尺寸稳定性。但一旦调整a/b比例比如设为1.5原本圆润的亮环就像被压扁的自行车轮胎变成了标准椭圆。最后分享一个调试小技巧用近场监视器捕捉相位分布时记得设置monitor.set(frequency points, 3) monitor.set(wavelengths, [532e-9, 635e-9, 780e-9])这样可以同时观察多个波长的表现验证宽带特性。有次忘记设置多频点结果误以为只在532nm工作闹了个大乌龙。这种超表面设计就像光学版的乐高积木通过精心编排纳米柱的旋转舞蹈让光波在传播过程中自动编织出想要的漩涡图案。下次如果再碰到光学加密的需求或许可以试试用这种相位魔术师来生成密钥光束。