在本示例中，我們使用 RCWA 求解器設計了一個斜面浮雕光柵 (SRG)，它將用于將光線耦合到單色增強現實 (AR) 系統的波導中。光柵的幾何形狀經過優化，可將正常入射光導入-1 光柵階次。

然后我們將光柵特性導出為 Lumerical Sub-Wavelength Model (LSWM) JSON 格式，以便在 Speos 的系統級仿真中對 SRG 進行建模（請參閱 "Augmented Reality Optical System”)

概述

SRG 幾何圖形根據其傾斜角度、填充因子和高度進行參數化，如下所示：

光柵和基板的折射率為1.8。光柵被空氣包圍。周期固定在 393 nm。

對光柵進行優化，以將波長為 550 nm 的光傳輸到 -1 光柵階次。RCWA 求解器用于SRG的優化和完整的特性描述，具體包含定義仿真參數和運行仿真這兩個步驟。

第 1 步：耦合光柵的優化

使用內置的粒子群優化（PSO）實用程序，優化SRG的傾斜角、填充因子和光柵高度，以最大限度地提高在法向入射時 550 nm波長下S偏振的透射率。

第 2 步：完整特性描述和數據導出

光柵優化是使用來自光柵上方的正常入射光進行的。但是，一旦選擇了優化的幾何結構，就必須針對光線追蹤仿真中預期的入射角范圍以及前進和后退方向計算完整的光柵特性。然后將結果導出到一個 JSON 文件，該文件可以使用腳本在 Speos 或 Zemax 中使用。

運行和結果

第 1 步：優化 SRG 幾何結構

1.打開并運行模擬文件 ar_srg.fsp 。

2.右鍵單擊“grating_orders”結果，然后選擇“ 新建可視化工具 >可視化 ”。

3.單擊并拖動繪圖以放大“Ts_grating”結果（綠線）。

這些結果表明，初始設計將大約56%的正常入射S偏振光引導到-1光柵階次。現在，我們將使用優化實用程序優化 光柵幾何結構以增加此值。

5.在“優化和掃描”窗口中運行優化對象“optimization”。

6.優化完成后，通過右鍵單擊“優化”對象并選擇“應用最佳解決方案”來應用最佳 幾何圖形。

“優化”對象將優化 SRG 的傾斜角度、填充因子和光柵高度，這些被定義為“slanted_grating” 結構組 的參數。傳輸到 S 偏振的 -1 光柵階次中的功率用作品質因數 （FOM），如“優化”對象的 FOM 腳本中定義。結果如下所示：

在優化幾何結構下，-1光柵階數的衍射效率約為94.7%。

請注意，這種類型的光柵可以具有此FOM的多個局部最大值[1]。雖然內置的PSO工具是一種方便的快速優化方法，但可以使用更高級的優化方法來充分探索參數空間。有關詳細信息，請參閱進一步使用模型部分。

第 2 步：完整特性描述和數據導出

1.在同一模擬文件中，為“RCWA”對象設置以下屬性：

·傳播方向 ：兩者

·入射角 ：范圍

·最小θ ：0

·最大θ ：85

·θ點 ：18

·最小 phi ：0

·最大 phi ：360

·PHI點 數 ：37

2.通過單擊工具欄中的“運行”按鈕來運行 RCWA 模擬。

3.運行腳本 LSWM_JSON_export.lsf 。

在此步驟中，針對前向和后向的指定入射角范圍計算優化 SRG的S參數。然后將這些結果導出為適合使用腳本文件導入Speos或Zemax的LSWM JSON格式。

使用參數更新模型

光柵幾何形狀

SRG 幾何體被定義為結構組 ，這使得創建用戶指定的幾何體參數（如傾斜角度和填充因子）變得更加容易。用戶可以通過更改結構組的設置腳本來修改此 SRG 幾何形狀，例如在光柵上添加欠蝕刻或過度蝕刻。或者，可以通過添加新的結構組并編寫自定義安裝腳本來創建不同的光柵幾何體。

優化參數

優化變化的參數及其邊界在優化掃描對象中定義。這些可以通過右鍵單擊“優化”對象并選擇“編輯”來更改。仿真對象的幾乎任何屬性都可以用作優化參數，但通常使用用戶在結構組或分析組中創建的幾何參數。

進一步發展模型

自定義優化品質因數

在本例中，SRG針對單一波長和入射角進行了優化。但是，也可以使用包含一系列波長或入射角的FOM，例如在整個視場上進行優化。

為此，請指定要包含在 RCWA 求解器對象的 FOM 中的波長和入射角。RCWA 求解器的結果將作為數據集返回，其中波長/頻率、θ 和 phi 作為參數。然后，可以在優化掃描對象的 FOM 腳本中處理結果，以計算包含完整范圍的 FOM。請注意，FOM 最終必須是優化實用程序的單個實數。

替代優化技術

內置的優化實用程序使用粒子群優化方法，用于該光柵的優化。 但是，可以通過Ansys optiSLang使用更高級的優化技術，也可以通過Lumerical Python API使用Python 庫。用戶還可以通過腳本使用內置實用程序定義不同的優化方法。參數空間的初始探索也可以使用參數掃描工具執行。

相關出版物

[1]Jonathan S. Maikisch 和 Thomas K. Gaylord，“最佳平行面傾斜表面浮雕光柵”，Appl. Opt. 46， 3674-3681 （2007）

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