一种基于遗传算法优化的准周期超透镜制造技术

本发明专利技术涉及一种基于遗传算法优化的准周期超透镜。包括：基底和在基底上按黄金螺旋排序的纳米圆柱体，基于采用的介质材料，所述基底和纳米圆柱体通过基于等效介质理论进行初始结构参数的设计，并通过改进遗传算法进行结构参数的深度优化，提高整个超透镜的光学性能；其中对遗传算法的改进包括：改用三进制编码表达纳米圆柱直径的变化，以及采用分层迭代的方法来降低计算的样本空间。本发明专利技术是由纳米圆柱体按黄金螺旋排序组成的准周期超透镜，并引入遗传算法进行优化。该透镜集成度高，尺寸小，厚度薄，可以在微米量级，质量特别轻，因此特别适合设备系统小型化和快速定位与扫描。特别适合设备系统小型化和快速定位与扫描。特别适合设备系统小型化和快速定位与扫描。

【技术实现步骤摘要】
一种基于遗传算法优化的准周期超透镜


[0001]本专利技术属于超透镜参数优化领域，具体涉及一种基于遗传算法优化的准周期超透镜。

技术介绍

[0002]超透镜是一种基于超表面而设计的微结构阵列，每个微纳结构可被看成是一个电磁波调控单元，实现电磁波相位、振幅、偏振等特性的有效操控，从而可以任意构建整体波阵面，以达成透镜聚焦的功能。为实现对电磁波的聚焦，传统光学元件依赖于电磁波在介质传播产生的相位累积，而超透镜则利用微结构阵列与电磁波的相互作用，因此超透镜十分轻薄，且具有实现多样复杂功能的潜力，满足现代光学系统集成化和小型化的需求。目前对于超透镜的研究已经受到了广泛的关注，但所展示的超透镜的质量参差不齐，那么如何去提高其性能便是一个值得深入研究的课题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于遗传算法优化的准周期超透镜，该透镜集成度高，尺寸小，厚度薄，可以在微米量级，质量特别轻，因此特别适合设备系统小型化和快速定位与扫描。
[0004]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于遗传算法优化的准周期超透镜，包括：基底和在基底上按黄金螺旋排序的纳米圆柱体，基于采用的介质材料，所述基底和纳米圆柱体通过基于等效介质理论进行初始结构参数的设计，并通过改进的遗传算法进行结构参数的深度优化，提高整个超透镜的光学性能。
[0005]在本专利技术一实施例中，所述纳米圆柱体采用材料为碳化硅。
[0006]在本专利技术一实施例中，所述纳米圆柱体制备方式为：基于电子束蒸发的方法蒸镀碳化硅薄膜，结合深紫外光刻技术制备碳化硅纳米圆柱体。
[0007]在本专利技术一实施例中，所述基底采用材料为二氧化硅。
[0008]在本专利技术一实施例中，所述遗传算法的改进，即改用三进制编码表达纳米圆柱体直径的变化，以及采用分层迭代的方法来降低计算的样本空间。
[0009]在本专利技术一实施例中，所述基底和纳米圆柱体通过基于等效介质理论进行初始结构参数的设计的具体实现过程如下：
[0010]首先，基于等效介质理论，可知准周期超透镜的入射光的相位调制由纳米圆柱体的直径、高度、等效周期决定，其中等效周期为当前位置纳米圆柱体与其在黄金螺旋线上最近的两个纳米圆柱体距离的平均值，等效周期计算公式如下：
[0011][0012][0013]其中i1(x
i1
，y
i1
)、i2(x
i2
，y
i2
)为黄金螺旋线上与第i点(x
i
，y
i
)最近的两个点；
[0014]若要使超透镜实现聚焦，每个点位(x,y)的纳米圆柱体需满足如下公式所示的相位：
[0015][0016]其中：k为任意整数，λ为入射光波长，f为超透镜的焦距；每个纳米圆柱体都有对应的等效周期，不同的等效周期有其对应的相位与直径的变化曲线；根据直径的变化曲线和其所需相位即可得到纳米圆柱体的直径。
[0017]在本专利技术一实施例中，所述通过改进的遗传算法进行结构参数的深度优化的具体过程如下：
[0018]采用分层迭代的方法，将纳米圆柱体以与中心的距离大小进行排序编号，每次寻优选取预定数量的纳米圆柱体，并利用遗传算法进行参数寻优；之后在上一次的基础上不断进行迭代直至全部完成，其中遗传算法步骤如下：
[0019]S1、初始化，确定遗传算法相关参数；
[0020]S2、确定编码方案，即采用三进制编码表达纳米圆柱体直径的变化，对应纳米圆柱体直径的增大、不变和减小三种变化；使用随机方法，生成由NP个染色体构成的初始种群，遗传代数G＝1；
[0021]S3、由每个个体确定纳米圆柱体直径，进而通过有限时域差分算法FDTD软件得到相关的性能参数，并计算适应度；
[0022]S4、若满足遗传算法所设置的最大代数，则输出结果，遗传算法停止，否则，继续执行以下步骤；
[0023]S5、采用轮盘赌法执行选择操作，直至产生种群规模为NP的新一代种群；
[0024]S6、将选择得到的新一代种群两两配对，每一对都有其对应的[0，1]之间的浮点数Rand(0， 1)，若交叉概率Pc＞Rand(0，1)，则再随机选取约一半的位置进行数值的交叉互换；
[0025]S7、对应每一个体的每一个位置生成[0，1]之间的浮点数Rand(0，1)，若变异概率Pm＞Rand (0，1)，则将对应的数值进行随机变异，随机变异为0，1，2中的任意一个；
[0026]S8、G＝G+1，返回步骤S3。
[0027]相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术是由纳米圆柱体按黄金螺旋排序组成的准周期超透镜，并引入遗传算法进行优化。该透镜集成度高，尺寸小，厚度薄，可以在微米量级，质量特别轻，因此特别适合设备系统小型化和快速定位与扫描。
附图说明
[0028]图1为黄金螺旋排序示意图；
[0029]图2为准周期超透镜三维示意图；
[0030]图3为准周期超透镜纳米柱分布示意图；
[0031]图4为不同周期下的相位与直径的对应关系；
[0032]图5为优化的分层方式；
[0033]图6为遗传算法流程图；
[0034]图7为在焦点z＝4.15μm处的场强对比；
[0035]图8为初始超透镜在焦点位置(z＝4.15μm)的光斑图；
[0036]图9为优化后的超透镜在焦点位置(z＝4.15μm)的光斑图；
[0037]图10为遗传算法优化前后不同纳米圆柱体的直径；
[0038]图11为电子束蒸发的结构示意图。
具体实施方式
[0039]下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说明。
[0040]本专利技术一种基于遗传算法优化的准周期超透镜，包括：基底和在基底上按黄金螺旋排序的纳米圆柱体，基于采用的介质材料，所述基底和纳米圆柱体通过基于等效介质理论进行初始结构参数的设计，并通过改进的遗传算法进行结构参数的深度优化，提高整个超透镜的光学性能。
[0041]以下为本专利技术一具体实施实例。
[0042]本专利技术提供了一种基于遗传算法优化设计的准周期超透镜，其主要内容包括：1.基于等效介质理论和有限时域差分算法，针对介质材料确定准周期超透镜初始结构参数；2.改进遗传算法进行结构参数的深度优化，提高其光学性能。其中对遗传算法的改进包括：改用三进制编码表达纳米圆柱直径的变化，以及采用分层迭代的方法来降低计算的样本空间。
[0043]如图2，本专利技术的超透镜包括基底和纳米圆柱体，其中纳米圆柱体为主要功能部件，材料选用碳化硅。为了获取表面质量好、折射率较高的碳化硅薄膜来制备纳米圆柱体，本专利技术采用电子束蒸发的方法。图11为电子束蒸发结构，电子束蒸发镀膜是指靶材从蒸发为粒子到沉积形成薄膜的过程，其过程如下：
[0044]1、发射电子束，并使其受到外加电场加速，得到动能轰击到靶材上，使靶材表面加热而气化，成为具有一定能量的气态粒子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于遗传算法优化的准周期超透镜，其特征在于，包括：基底和在基底上按黄金螺旋排序的纳米圆柱体，基于采用的介质材料，所述基底和纳米圆柱体通过基于等效介质理论进行初始结构参数的设计，并通过改进的遗传算法进行结构参数的深度优化，提高整个超透镜的光学性能。2.根据权利要求1所述的一种基于遗传算法优化的准周期超透镜，其特征在于，所述纳米圆柱体采用材料为碳化硅。3.根据权利要求2所述的一种基于遗传算法优化的准周期超透镜，其特征在于，所述纳米圆柱体制备方式为：基于电子束蒸发的方法蒸镀碳化硅薄膜，结合深紫外光刻技术制备碳化硅纳米圆柱体。4.根据权利要求1所述的一种基于遗传算法优化的准周期超透镜，其特征在于，所述基底采用材料为二氧化硅。5.根据权利要求1所述的一种基于遗传算法优化的准周期超透镜，其特征在于，所述遗传算法的改进，即改用三进制编码表达纳米圆柱体直径的变化，以及采用分层迭代的方法来降低计算的样本空间。6.根据权利要求1所述的一种基于遗传算法优化的准周期超透镜，其特征在于，所述基底和纳米圆柱体通过基于等效介质理论进行初始结构参数的设计的具体实现过程如下：首先，基于等效介质理论，可知准周期超透镜的入射光的相位调制由纳米圆柱体的直径、高度、等效周期决定，纳米圆柱体高度取定值，其中等效周期为当前位置纳米圆柱体与其在黄金螺旋线上最近的两个纳米圆柱体距离的平均值，等效周期计算公式如下：旋线上最近的两个纳米圆柱体距离的平均值，等效周期计算公式如下：其中i1(x
i1
，y
i1
)、i2(x
i2
，y
i2
)为黄金螺旋线上与第i点(x
i
，y
i
)最近的两个点，C为常...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾天奇，郭子明，高翔，林宏鑫，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：