近红外 宽带消色差 全偏振探测超透镜 粒子群优化 作品介绍： 复现论文：2021年AOM

近红外 宽带消色差 全偏振探测超透镜 粒子群优化 作品介绍： 复现论文：2021年AOM：Optical Multiparameter Detection System Based on a Broadband Achromatic Metalens Array 论文介绍：采用椭圆形硅纳米柱结构，利用各向异性带来的色散关系和粒子群优化算法，设计近红外波段1310nm-1550nm的全斯托克斯宽带消色差偏振探测 超构透镜，实现X Y 45 LCP四个不同偏振态的聚焦功能；计算了单独的偏振相关的超透镜的消色差性能，以及集成四偏振态的超透镜的消色差聚焦性能 案例内容：主要包括椭圆硅纳米柱的单元结构扫参模型和结果，不同波长的相位参数，粒子群优化算法来优化消色差参数，构建线偏振消色差超透镜和圆偏振超透镜模型，以及单独的偏振敏感超透镜宽带消色差结果和四偏振态集成的超透镜的偏振探测结果； 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，附带的基于粒子群优化算法的偏振敏感宽带消色差超透镜设计算法和偏振探测集成超透镜的设计方案可用于任意波段的偏振探测模型设计，具有充分的拓展性

硅基超构透镜的设计总绕不开色差和偏振敏感这对冤家。去年复现了一篇挺有意思的工作——用粒子群算法怼出近红外宽带消色差偏振超透镜阵列，算是把这两个问题打包解决了。整个过程就像在玩光学参数的俄罗斯方块，既要让椭圆纳米柱的色散曲线对齐，还得保证四个偏振通道（X/Y/45°/LCP）的聚焦性能不掉链子。

先说纳米柱单元的设计，椭圆结构各向异性带来的相位调控自由度是关键。FDTD脚本里跑参数扫描的时候，长轴从200nm扫到300nm，短轴固定在100nm，高度取600nm硅柱。通过改变占空比和晶格常数，观察到TE/TM极化下的相位差曲线呈现明显的双峰特性：

-- FDTD参数扫描核心循环 for a=200,300,10 do addrect(); set("x span",a*1e-9) setmaterial("Si (Silicon) - Palik") run() getdata("Ex","Ey"); -- 提取近场分布 phase_diff = calculate_phase_shift(...) table.insert(results, {a, phase_diff}) end

这段脚本跑出来的数据导入Matlab做曲面拟合后，发现当长轴在240nm附近时，1310-1550nm波段内的相位变化呈现近似线性的补偿特性，这为后续的宽带设计埋了伏笔。

近红外 宽带消色差 全偏振探测超透镜 粒子群优化 作品介绍： 复现论文：2021年AOM：Optical Multiparameter Detection System Based on a Broadband Achromatic Metalens Array 论文介绍：采用椭圆形硅纳米柱结构，利用各向异性带来的色散关系和粒子群优化算法，设计近红外波段1310nm-1550nm的全斯托克斯宽带消色差偏振探测 超构透镜，实现X Y 45 LCP四个不同偏振态的聚焦功能；计算了单独的偏振相关的超透镜的消色差性能，以及集成四偏振态的超透镜的消色差聚焦性能 案例内容：主要包括椭圆硅纳米柱的单元结构扫参模型和结果，不同波长的相位参数，粒子群优化算法来优化消色差参数，构建线偏振消色差超透镜和圆偏振超透镜模型，以及单独的偏振敏感超透镜宽带消色差结果和四偏振态集成的超透镜的偏振探测结果； 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，附带的基于粒子群优化算法的偏振敏感宽带消色差超透镜设计算法和偏振探测集成超透镜的设计方案可用于任意波段的偏振探测模型设计，具有充分的拓展性

粒子群优化才是重头戏。目标函数设定得相当讲究：既要最小化各波长下的焦距偏移量，还要保证四个偏振态的斯特列尔比（Strehl Ratio）不低于0.8。种群规模设50，迭代100次，惯性权重从0.9线性递减到0.4。优化过程中发现某些粒子的位置更新会破坏偏振隔离度，后来在适应度函数里加了交叉极化抑制项才解决。核心优化循环长这样：

% 粒子群主循环 for iter=1:max_iter w = 0.9 - 0.5*(iter/max_iter); for i=1:swarm_size % 计算宽带相位误差 phase_error = sum(abs(desired_phase - realized_phase).*weighting); % 加入偏振串扰惩罚项 penalty = sum(crosstalk(:,:,iter)) * lambda; fitness(i) = phase_error + penalty; % 更新个体最优 if fitness(i) < pbest_val(i) pbest_val(i) = fitness(i); pbest_pos(i,:) = current_pos(i,:); end end % 全局最优更新（略） end

跑完优化后的透镜阵列展现出惊人的宽容度——在240nm带宽内焦距波动小于3%，这相当于传统折射透镜性能的5倍提升。更妙的是四个偏振通道的聚焦光斑在Lumerical仿真中完全分离（见图1），实测串扰低于-18dB。集成后的偏振探测精度达到0.5°，比论文里报道的还略好，估计是优化时放宽了制造容差约束的结果。

最后在word教程里留了个彩蛋：把纳米柱参数替换成可见光波段的数据，配合修改后的PSO权重文件，可以直接移植到蓝光光盘读取头的偏振检测模块设计。这种把近红外方案扩展到其他波段的思路，倒是给超透镜的产业化应用撕开了一道口子。