آزمایشگاه ۵: سنتز، شبیه‌سازی و ارزیابی فراسطح

شناسه‌ها: ms-05-beam-steering برای ابرسلول تمام‌موج، ms-08-metalenses برای کانون خطی اسکالر و ms-06-polarization برای جونز تحلیلی. همراهان: فصل ۵ و هفت مثال.

پرسش: چه مقدار از جبهه‌موج هدف از نمونه‌برداری، قید پاسخ و برهم‌کنش عناصر متفاوت جان سالم می‌برد؟

پیش از خواندن نتایج، راهنمای مدل و هندسه را ببینید. جسم، ابعاد، موج فرودی، جهت ناوردایی یا تکرار و صفحه‌های مرجع را در شکل مشخص کنید.

الف. اثر توالی هندسه را پیش‌بینی کنید¶

بین کتابخانهٔ گسترش‌یافته، محدود اولیه، ریج یکسان و توالی معکوس جابه‌جا شوید. توان هدف نسبت به فرودی، سهم مشروط به عبور، تخمین موضعی و جدول تمام‌موج را مقایسه کنید؛ هدف توالی معکوس $m=-1$ است.

چهار ابرسلول معتبر TE ذخیره‌شده؛ کنترل‌ها نتیجهٔ ماکسول ازپیش‌محاسبه‌شده و تقریب موضعی را می‌بینند و حل‌گر اجرا نمی‌کنند.

بازکردن آزمایشگاه در زبانهٔ تازه

پیش‌بینی: کدام جهت‌ها مجاز و کدام برای سلول یکسان حامل توان‌اند؟ معکوس‌سازی چه می‌کند؟ چرا عدم‌تراز ماسک موضعی اینجا جذب فیزیکی نیست؟

تحویلی: مقایسهٔ چهار حالت با مخرج، محدودیت مدل و آزمون یک پیش‌بینی تقارن. طرح انتخابی در مرورگر همراه شاهد و فراداده نمایش داده می‌شود.

ب. اجرای سنتز و بررسی تمام‌موج¶

وضعیت: مرجع اجراشده در دفترچهٔ انحراف.

بستهٔ کامل chapter-05-synthesis.zip را استخراج کنید. دو دفترچه، دو ماژول پایتون، نیازمندی، کتابخانهٔ اصلی فصل ۳، دادهٔ فصل ۵ و کنترل را دارد. راهنمای محیط را دنبال کنید.

فایل مستقل: دفترچهٔ فصل ۵: سنتز و بررسی منحرف‌کنندهٔ باریکه، metasurface_synthesis.py، beam-steering.json، extended-library.csv و validation.json. دفترچهٔ تنها به ماژول و دادهٔ همراه نیاز دارد؛ ZIP نقطهٔ شروع کامل‌تری است.

ورودی¶

پارامتر	مرجع
طول موج	$1.55\,\mu\mathrm m$
گام، تعداد، دوره	$0.65\,\mu\mathrm m$ ، ۶، $3.90\,\mu\mathrm m$
ضریب ریج و شکاف، ورودی و خروجی	۲٫۴/۱ و ۱/۱٫۵، حقیقی ثابت
تابش	TE عمودی، $E_y$ ، $k_y=0$ ، از $z<0$
ارتفاع مشترک اولیه و گسترش‌یافته	0.60 و $1.80\,\mu\mathrm m$
عرض‌های گسترش‌یافته	۱۶۱ نمونه در 0.08– $0.57\,\mu\mathrm m$
پذیرش کتابخانه	$T\geq0.8$ برای انتخاب، علاوه بر کنترل عددی مستقل
مرتبهٔ مطلوب	+1 در زاویهٔ حدود $15.36^\circ$ در زیرلایه
مرجع فاز	$r$ در $z=0$ و $t$ در وجه پایین مشترک

روش¶

گرادیان، زاویه و همهٔ مرتبه‌های باز بیرونی را استخراج کنید.
از هستهٔ تازه اجرا و غربال ارتفاع اکتشافی را از کتابخانهٔ پذیرفته جدا کنید.
۱۶۱ عرض را در $M=24$ محاسبه و با $M=32$ بررسی کنید؛ پاسخ مختلط، توان، فاز و فراداده را نگه دارید.
شبکهٔ ثابت آفست را با خطای فاز سلول و شرط $T\geq0.8$ جست‌وجو و طرح محدود اولیه را حفظ کنید.
ضریب دقیق پله‌ای با sinc را برای تخمین بازتاب و عبور موضعی حساب کنید.
چهار توالی کامل ریج هم‌صفحه را با همهٔ مرتبه‌های باز دو طرف حل کنید.
هندسهٔ گسترش‌یافته را در توالی $M$ گزارش‌شده پالایش و هر طرح نهایی را در $M=144,192$ جدا از باقیماندهٔ توان مقایسه کنید.
میدان تکراری را بازسازی کنید، ولی کسر دورمیدان را از ضریب مدی به دست آورید.
هندسه، انتخاب، هش، قرارداد، توان تمام‌موج، تخمین موضعی و تغییر عددی را صادر کنید.

پذیرش مرجع¶

کنترل	معیار
هر ردیف تازه	$
انتخاب فاز	هر شش هدف گسترش‌یافته با آفست مشخص در $5^\circ$
پالایش ابرسلول	تغییر هر توان باز و $t_m$ مختلط باز کمتر از 10^-4 در $M=144/192$
تراز بی‌اتلاف	$
تعبیهٔ یکسان و معکوس آینه‌ای	خطای دامنهٔ ممنوع یا توان آینه‌ای کمتر از 10^-10 در آزمون مشخص
پیاده‌سازی جدا	سه حالت grcwa هم‌مرتبهٔ $M=48$ ؛ اختلاف رستر ریز در توان و $t_0$ کمتر از 10^-4

از ریشهٔ بسته یا مخزن:

python -m pip install -r requirements-validation.txt
python scripts/validate_chapter05.py --grcwa

مقایسهٔ اختیاری، رستر grcwa را از ۵۱۲ به ۴۰۹۶ می‌رساند؛ حل‌گر دوره ضرایب تحلیلی مستطیل دارد. هر دو RCWA هستند. بدون --grcwa، اجرا نشدن مقایسه ثبت می‌شود. تنظیم گزارش به مرجع خاص مربوط است؛ برای آزمایش فیزیکی عوض‌شده اصلاح و دوباره بررسی کنید.

تحویلی: دفترچه، هدف و شبکهٔ انتخاب، دو کتابخانه، چهار توالی، جدول توان همهٔ کانال‌ها، میدان و پاسخ، همگرایی، کنترل و تفسیر موضعی و جمعی. این‌ها TE تناوبی بی‌نهایت ایده‌آل‌اند، نه بازده قطعهٔ متناهی یا تجربه.

ج. اجرای تمرکز و قطبش¶

وضعیت: مرجع اجراشده در دفترچهٔ جبهه‌موج. ابتدا دفترچهٔ باریکه را اجرا کنید تا کتابخانه نوشته شود. دریافت: دفترچهٔ فصل ۵: تمرکز نمونه‌برداری‌شده و فاز هندسی و wavefront-models.json.

کانون خطی اسکالر¶

دهانهٔ ۴۸ سلولی و $31.2\,\mu\mathrm m$ ، فاصلهٔ $30\,\mu\mathrm m$ و خروجی ۱٫۵ بگیرید. فاز دقیق مسیر، میدان پیوسته و نمونه‌ای و کتابخانه‌ای، انتشار طیف خروجی، FWHM، اوج با مخرج سازگار و تمرکز شدت خطی در $\pm1\,\mu\mathrm m$ را بررسی کنید.

پنجره و فاصلهٔ نمونه را برای هر یک از دهانه‌های پیوسته، فاز نمونه‌شده و کتابخانه‌ای مستقل پالایش کنید. مرجع نمایش‌داده‌شده $\Delta x=0.10\,\mu\mathrm m$ و پنجرهٔ FFT برابر $204.8\,\mu\mathrm m$ دارد. مطالعهٔ پنجره $\Delta x=0.05\,\mu\mathrm m$ را ثابت نگه می‌دارد و پنجره‌های $102.4/204.8/409.6\,\mu\mathrm m$ را به کار می‌برد؛ مطالعهٔ شبکه پنجرهٔ $409.6\,\mu\mathrm m$ را ثابت نگه می‌دارد و $\Delta x=0.10/0.05/0.025/0.0125\,\mu\mathrm m$ را می‌آزماید. همهٔ اوج‌ها یک مخرج ثابت از مرجع پیوسته دارند. میان همان انتهاهای فیزیکی پنجرهٔ کانونی انتگرال بگیرید و هم انتگرال تقسیم بر عرض دهانه و هم سهم آن از شدت خطی کل هر مدل را گزارش کنید. آخرین جفت‌های مستقل، تغییر پروفایل، FWHM، اوج، انتگرال پنجرهٔ ثابت و تمرکز را با حدهای ذخیره‌شده در دفترچه و JSON کنترل می‌کنند؛ کنترل ناموفق باید آشکار بماند. فاز موج تخت و نرم بین‌های منتشرشونده نیز آزموده می‌شود. این بررسی‌ها مربوط به میدان‌های اسکالر تجویزشده‌اند و بررسی ماکسولی عدسی متناهی یا بازده فیزیکی تمرکز را اثبات نمی‌کنند.

ماتریس جونز¶

پایهٔ دایروی آزمایشگاه را تعریف کنید. برای نیم‌موج، فاز تبدیل $2\sigma\theta$ و دامنهٔ تبدیل‌نشده و برای تأخیرانداز، کسر $\sin^2(\delta/2)$ را بیازمایید. همانی و یکانی بودن در 10^-12 کنترل شود. چرا پیش از ادعای قطعه، کتابخانهٔ برداری ناهمسانگرد واقعی لازم است؟

تحویلی: فاز و میدان، سنجهٔ اسکالر با مخرج، تغییر پنجره و شبکه، پاسخ محوری و نمودار تبدیل و فاز جونز. منشأ مدل هر شکل و فیزیک غایب را بگویید.

د. طرح قطعهٔ متناهی و روش مستقل¶

وضعیت: منحرف‌کننده یا فلزنس متناهی تمام‌موج و کنترل FEM/FDTD اجرا نشده‌اند.

دهانهٔ کوچک با هندسه، باریکه، ماده و مرجع کامل انتخاب کنید. از مرز و لایهٔ تطبیق‌یافته به مرجع تناوبی و سپس لبهٔ دهانهٔ متناهی با جاذب بروید. FDTD به پالایش مش، PML، افت زمانی و محل منبع و مانیتور؛ FEM به مش و مرتبه، دامنه و تنظیم درگاه یا نزدیک‌به‌دور نیاز دارد.

مشاهده‌پذیر زاویه‌ای یا کانونی دقیق را با مدل موضعی یا اسکالر مقایسه کنید. برای عدسی، توان فرودی و عبوری، ناحیهٔ انتگرال کانون، قطبش و جمع‌آوری را تعریف کنید. سهم شدت خطی اسکالر جای اندازه‌گیری توان تمام‌موج نیست. مثال نزدیک‌به‌دور Meep مرتبط است.

تحویلی: فایل حل‌گر و مدل، پالایش مستقل، نگاشت هندسه به مدل، سنجهٔ زاویه یا کانون، هزینه و اختلاف حل‌نشده.

ه. طرح دامنه، پهنای باند و طراحی مقاوم¶

اکنون موجود: ms-09 جاروب طیفی هندسهٔ ثابت، ms-10 اختلاف موضعی/ابرسلول و ms-11 بهینه‌سازی اسمی کران‌دار عرض با کنترل مستقل را اجرا می‌کنند. توسعه‌های زیر فراتر از این نمونه‌های محدود هستند.

وضعیت: هولوگرام، قطعهٔ فاز هندسی برداری تمام‌موج، بهینه‌سازی پهن‌باند مادهٔ پاشنده و تحمل ساخت اجرا نشده‌اند.

یک توسعه با هدف و قید روشن برگزینید: دهانهٔ اسکالر با دامنهٔ شکل‌داده‌شده و سپس تحقق فیزیکی؛ کتابخانهٔ برداری با قطبش مطلوب و ناخواسته؛ طرح چندطول‌موجی با پاشندگی موجه؛ یا بهینه‌سازی هندسهٔ کران‌دار با کنترل مستقل. پیش از برازش و بهینه‌سازی، بُعد و قید ساخت را تعیین کنید. هرجا ادعای تعمیم است، طول موج، تابش یا حالت تحمل را کنار بگذارید.

تحویلی: هدف و دامنهٔ مجاز، نسخهٔ داده و مدل و حل‌گر، خط مبنا، طراحی، بررسی مستقل و گزارش هزینه و مقاومت. این مرحله‌ها به فصل‌های ۶ و ۱۰ متصل‌اند.

مشارکت¶

شناسه و برچسب شواهد را حفظ و کد، دفترچه، داده، محیط، مرجع، نمودار و وضعیت اجرا را از راهنمای مشارکت ارائه کنید. انتشار عادی نتیجهٔ ذخیره‌شده را نمایش می‌دهد و محاسبهٔ سنگین را تکرار نمی‌کند.