JCMsuite应用：介质超表面的仿真

这是一个简单但常见的超原子结构的案例：衬底上包含一个纳米圆盘的双重周期方形晶格。示例和参数均取自Berzins等的文章[1]，单元格在X和Y方向上均是周期性的。它包含一个位于基板上的圆盘(或圆柱体)，被背景材料包围。本案例中的材料根据参考文献选择为硅(圆盘)、玻璃(衬底)和空气(背景)。

 

线偏振平面波s偏光和p偏光从上方入射到光栅，用JCMsuite计算近场分布。

 

下图所示为垂直入射平面波的波长为550nm时所显示的近场和强度分布：

 

                                              散射体外的场矢量和强度分布

 

                                        两个平面上的p偏光的场矢量以几何形式叠加

 

后处理傅里叶变换(Fourier Transform)计算透射衍射阶的振幅。后处理散射矩阵(Scattering Matrix）从傅里叶变换(Fourier Transform)中得到的平面波分解从而计算散射量。

 

光谱特性

 

在参考文献 [1]中，对透射光谱进行了调整以提供颜色过滤。脚本data_analysis/run_scan_illumination.py的目的是重现文章中图1的光谱图。

 

相位分布

 

要改变透射波前的形状，需要控制其相应的相位。对于一个给定的结构，我们从琼斯矩阵中得到这个相位，这个矩阵是由后处理散射矩阵(ScatteringMatrix.)计算出来的。这为任意两个线性独立入射场的透射阶的p和s偏振分量产生了一个复透射系数。它的相位是透射波相对于入射波的相移。虽然绝对相位很少引起人们的兴趣，但它对原子参数和入射光的变化关系通常是令人感兴趣的。

下图描绘了透射系数的幅值和相位(由于对称性，这与偏振性无关):

 

这个图也是由脚本data_analysis/run_scan_illumination.py生成的。

 

纳米片半径和高度的变化会影响相位和透射率。这个光谱特性使用脚本data_analysis/run_scan_geometry.py来研究。在这里，纳米片的直径和高度发生了变化，并记录了相位和透射的变化。

 

参考文献

[1] Berzins, Jonas, Fabrizio Silvestri, Giampiero Gerini, Frank Setzpfandt, Thomas Pertsch, and Stefan MB Baeumer. “Color filter arrays based on dielectric metasurface elements.” In Metamaterials XI, vol. 10671, p. 106711F. International Society for Optics and Photonics, 2018.