全介质超构透镜模型实现偏振成像：实时分离聚焦与偏振信息解码

偏振成像 超构透镜模型 超表面 FDTD仿真 复现论文2019年 APL Midinfrared real-time polarization imaging with all-dielectric metasurfaces 论文介绍全介质实时偏振聚焦成像超构透镜模型可以实现X Y RCP LCP四个偏振态的实时分离和聚焦的功能通过四个强度的计算可以得到入射光场的偏振信息 超构透镜由硅纳米柱构成通过偏振复用和空间复用原理同时调控四个偏振态的光场相应 案例内容主要包括硅纳米柱的单元结构仿真、相位和透射率的参数化扫描偏振复用超构透镜的偏振解耦合相位计算代码空间复用的超构透镜模型建模脚本以及多偏振聚焦的超构透镜模型和对应的远场电场分布计算 案例包括fdtd模型、fdtd建模脚本、Matlab计算相位代码和模型仿真复现结果以及一份word教程超构透镜的偏振复用和解耦合相位计算代码可用于任意偏振调控设计具备可拓展性1. 项目概述本项目实现了一套完整的红外偏振成像超构透镜建模与仿真流程基于2019年APL期刊提出的中红外实时偏振成像技术。该方案通过线偏振复用和圆偏振复用的原理结合空间插空排列方法在长波红外波段10.6μm实现了实时偏振成像功能。2. 系统架构与工作流程整个系统分为三个核心模块按顺序执行完成超构透镜的设计与仿真2.1 单元结构仿真模块Nanofins/2.2 相位计算与参数匹配模块matlab code/2.3 超构透镜构建与仿真模块FDTD code/3. 各模块功能详述3.1 单元结构仿真模块核心文件SAVE.lsf功能描述此模块负责纳米柱单元结构的电磁特性仿真为后续相位设计提供基础数据。关键技术流程参数扫描对纳米柱的长宽尺寸进行参数扫描1-4μm61个采样点数据提取获取不同尺寸下的透射率T和相位延迟phase数据保存将扫参结果保存为MAT文件格式供MATLAB模块使用关键代码解析T_Ex getsweepresult(width,T); T pinch(T_Ex.T); phase_Ex getsweepresult(width,phase); phase pinch(angle(phase_Ex.Ex));3.2 相位计算与参数匹配模块此模块包含三个核心MATLAB脚本完成从理论相位到实际结构参数的转换。3.2.1 phase_unit.m - 单元相位库构建功能描述从扫参数据中筛选出满足要求的8阶圆偏振和64阶线偏振单元结构参数。关键技术实现数据预处理- 相位数据归一化到[0,2π]- 可视化透射率和相位分布圆偏振单元筛选8阶- 寻找满足相位差Δφπ的纳米柱x和y方向相位差- 在0-2π范围内均匀选取8个离散相位点- 为每个相位点找到最优的纳米柱尺寸线偏振单元筛选64阶- 构建8×864种相位组合- 为每个(φx, φy)组合寻找最优纳米柱尺寸- 同时满足x和y方向的相位覆盖要求核心算法% 圆偏振单元筛选条件 delta_phi abs(phix-phiy); if abs(delta_phi(a,b)-0.5)0.01 % 0.5对应π相位差 phix(a,b)nan; phiy(a,b)nan; end3.2.2 target_phase.m - 目标相位计算功能描述计算四个偏振态在超构透镜上的目标相位分布实现空间分离的聚焦效果。偏振成像 超构透镜模型 超表面 FDTD仿真 复现论文2019年 APL Midinfrared real-time polarization imaging with all-dielectric metasurfaces 论文介绍全介质实时偏振聚焦成像超构透镜模型可以实现X Y RCP LCP四个偏振态的实时分离和聚焦的功能通过四个强度的计算可以得到入射光场的偏振信息 超构透镜由硅纳米柱构成通过偏振复用和空间复用原理同时调控四个偏振态的光场相应 案例内容主要包括硅纳米柱的单元结构仿真、相位和透射率的参数化扫描偏振复用超构透镜的偏振解耦合相位计算代码空间复用的超构透镜模型建模脚本以及多偏振聚焦的超构透镜模型和对应的远场电场分布计算 案例包括fdtd模型、fdtd建模脚本、Matlab计算相位代码和模型仿真复现结果以及一份word教程超构透镜的偏振复用和解耦合相位计算代码可用于任意偏振调控设计具备可拓展性相位设计原理线偏振x偏振和y偏振分别聚焦在不同空间位置圆偏振左旋和右旋圆偏振光分别聚焦在不同空间位置相位计算公式target_phix(2*i-1,j) -(2*pi)/lamda*(sqrt((x(2*i-1)-x0_x)^2... (y(j)-y0_x)^2f^2)-f);焦点位置配置x偏振焦点(-60μm, 60μm)y偏振焦点(-60μm, -60μm)右旋圆偏振焦点(60μm, 60μm)左旋圆偏振焦点(60μm, -60μm)3.2.3 phase2length.m - 相位到结构参数映射功能描述将目标相位分布映射到具体的纳米柱结构参数完成超构透镜的设计。关键技术实现线偏振结构映射- 将目标相位量化为8阶离散值- 通过索引查找对应的纳米柱尺寸- 生成lengthsampleLP和widthsampleLP参数矩阵圆偏振结构映射- 计算平均相位(targetphirtargetphil)/2- 计算旋转角度(targetphir-targetphil)/4- 生成尺寸和旋转角参数矩阵核心映射算法phase_index_x round(target_phix/0.125); % 8阶量化 phase_index_x(phase_index_x0) 8; % 边界处理 phase_index (phase_index_x-1)*8phase_index_y; % 64种组合索引3.3 超构透镜构建与仿真模块3.3.1 structure_lens.lsf - 超构透镜结构构建功能描述在FDTD仿真环境中构建完整的超构透镜结构。关键技术实现衬底构建- 材料硅Silicon - Palik- 尺寸透镜直径3倍波长线偏振纳米柱阵列- 位置奇数行空间插空排列- 参数从lengthsampleLP和widthsampleLP读取尺寸圆偏振纳米柱阵列- 位置偶数行空间插空排列- 参数从lengthsampleCP和widthsampleCP读取尺寸- 旋转根据anglesampleCP设置纳米柱方向仿真环境设置- 两个正交线偏振光源x和y方向- 远场监视器记录聚焦效果结构构建代码# 线偏振纳米柱 for(i1:T/2) { for (j1:T) { set(x span,length_sample_LP(2*i-1,j)); set(y span,width_sample_LP(2*i-1,j)); } } # 圆偏振纳米柱 for(i1:T/2) { for (j1:T) { set(x span,length_sample_CP(2*i,j)); set(y span,width_sample_CP(2*i,j)); set(rotation 1,angle_sample_CP(2*i,j)); } }3.3.2 metalens_focal lens.lsf - 远场分析功能描述计算并可视化超构透镜的远场聚焦特性。关键技术使用farfieldexact3d函数计算精确远场在焦平面z150μm分析场强分布可视化四个偏振态的聚焦光斑4. 技术创新点4.1 空间复用技术插空排列奇数行用于线偏振偶数行用于圆偏振并行探测同时实现四个偏振态的实时探测4.2 相位复用技术线偏振复用64阶相位控制独立调控x和y偏振圆偏振复用8阶相位几何相位调控左旋/右旋圆偏振光4.3 高效设计流程模块化设计单元仿真→相位计算→结构构建的流水线自动化匹配从理论相位到实际结构的自动映射5. 物理效应验证通过该超构透镜设计预期实现以下物理效应不同偏振态的光线聚焦在空间不同位置正交偏振态之间具有良好的隔离度在10.6μm波长下实现高效的偏振探测这套代码系统完整地复现了文献中的红外偏振成像超构透镜为偏振光学器件的设计和仿真提供了可靠的工具链。