[发明专利]一种基于遗传算法优化的准周期超透镜

权利要求书

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；

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：

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为常数，α为黄金螺旋线上任、意相邻两点与原点连线的夹角；

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：

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；

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：

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：

S1、初始化，确定遗传算法相关参数；

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；

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；

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；

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；

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)，则再随机选取一半的位置进行数值的交叉互换；

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；

S8、G＝G+1，返回步骤S3。

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。