VirtualLab Fusion 超透镜设计与仿真教程

​本文将引导您在 VirtualLab Fusion 中完成超透镜的完整设计与仿真工作流程。该工作流程包含四个主要步骤：

• 配置超透镜
• 创建代理模型
• 设计与仿真
• 导出结构

1超透镜配置

将超透镜组件添加到系统后，需配置其基本属性：组件后方的介质以及孔径直径（形状始终为圆形）。

配置超透镜的基本属性

随后定义波前相位分布——即超透镜所要施加的相位变换。VirtualLab Fusion 提供了两种定义相位分布的方法：

• 偶数阶径向多项式：使用多项式系数（r²、r⁴……）定义球面、非球面或自由曲面相位分布。系数也可从 Zemax Binary 2 表面自动导入。
• 用户定义公式：通过 VirtualLab 的代码片段技术，使用 C# 数学表达式定义相位分布。

指定偶数阶非球面多项式的系数

实现用户自定义的波前相位分布公式

2创建代理模型

精确的超透镜仿真需要对数百万个超原子求解麦克斯韦方程组——这是一项计算量极大的任务，使得测试不同设计方案或将超透镜集成到完整系统中变得不切实际。

初始化训练会话

VirtualLab Fusion 通过代理模型克服了这一难题：代理模型是经过训练、用于预测超原子光学响应的神经网络。代理模型仅需完成一次完整的训练计算，其训练成果便可在后续所有设计迭代与系统级仿真中直接复用，无需重复求解麦克斯韦方程组，从而显著提升设计效率。

配置代理模型的解空间

在设计过程中，无需对每个超原子即时运行 RCWA（严格耦合波分析），而是针对每种超原子类型训练一次神经网络，覆盖几何参数和入射光条件的完整参数空间。训练完成后，代理模型即与超透镜组件绑定。

执行训练

在 VirtualLab Fusion 中的工作流程如下：

• 初始化训练——点击超透镜编辑对话框中的相应按钮，或使用主窗口中的代理（Surrogate）功能区；
• 配置解空间——定义代理模型所涵盖的几何参数（宽度、长度、半径）和入射光条件（波长、入射角）；
• 执行训练——运行神经网络训练过程；这需要大量 RCWA 计算，但仅需执行一次。训练也可通过分布式计算加速；
• 绑定模型——通过编辑对话框或功能区一键将训练好的代理模型附加到超透镜组件。

注意：训练完成后，代理模型内置了响应评估工具。这些工具可在不启动完整系统仿真的前提下独立运行，用于分析单个超原子在不同参数下的光学响应特性。

绑定模型

3设计与仿真

完成超透镜的基本配置后，您现在可以在光学系统中设计并仿真该超透镜。工作流程包含两个阶段：

通过光线追迹进行模拟

光线追迹 ——运行光线追迹仿真，仅基于您定义的相位分布来验证基本光学功能。此阶段不需要训练好的代理模型，可提供快速的性能预览。

场追迹 ——首次运行场追迹仿真时，会打开一个设计对话框，您可以在其中配置设计参数并执行设计。设计完成后，结果将存储到超透镜组件中，仿真将使用设计好的数据继续运行。

场追迹

设计步骤完成后，设计信息会被缓存以供后续仿真直接调用。设计过程产生的结果，如相位误差和衍射效率等，可在超透镜组件的编辑对话框中查看。

超透镜编辑对话框

这一机制使得无需重复执行设计过程，即可针对任意输入条件和任意感兴趣的评价函数，对已设计好的超透镜进行快速且精确的建模分析。

4导出结构

当超透镜在仿真中的性能表现符合预期后，即可生成用于制造的加工数据。此时超透镜已完成设计，用户可通过超透镜组件编辑对话框中内置的制造数据导出功能，配置若干导出参数，最终生成标准的 GDSII 文件。

数据导出

该文件包含了设计中每个超原子的形状、尺寸和位置信息，可方便地传输至制造环节。导出工作流程如下：

• 打开超透镜组件的编辑对话框；
• 单击导出制造数据按钮；
• 配置导出参数并触发 GDSII 生成；
• 使用标准 GDSII 查看器（如 KLayout）验证输出并检查生成的 GDSII 文件。

GDSII查看器

如您对 VirtualLab Fusion 超透镜设计工作流程有任何疑问，欢迎随时与我们取得联系。视频操作演示，以便更直观地了解整个设计流程。

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