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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

news 2026/6/16 4:29:12

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（1-4μm，61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Δφ=π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8×8=64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; end

3.2.2 `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。

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)^2+f^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：(targetphir+targetphil)/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_x==0) = 8; % 边界处理 phase_index = (phase_index_x-1)*8+phase_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(i=1:T/2) { for (j=1: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(i=1:T/2) { for (j=1: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)); } }