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光學和光子學的物理定律可用于對光的傳播進行建模。傳統的反射和折射光學（也稱為幾何光學）將光描述為可以被光學材料（如磨光玻璃、彩色磨砂塑料、人體皮膚、啞光白漆等）反射、折射、散射或吸收的光線。

與之不同的是，衍射光學將光描述為一種電磁波。當光波遇到尺寸與其波長相當的微觀結構（微光學元件）或開口時，就會發生光衍射。當光在這些尺寸只有數百納米的結構中發生衍射時，光束可以被聚焦、整形、重定向或分束。

什么是衍射光學元件？

通過衍射來控制光屬性的組件，被稱為衍射光學元件（DOE）。其中一些元件如今已經應用于光學領域，如衍射光柵，而其他新型元件被視為新一代光學透鏡（例如超表面和超透鏡）。

DOE可精確控制光波的相位、偏振和強度，因此具有極高的應用價值。另外，其比傳統折射光學元件更薄、更輕，從而可以減少光學系統的尺寸、重量和成本。

傳統的衍射光學元件

許多常見類型的DOE被用于調控光源，這些DOE包括衍射光柵、菲涅爾波帶片、衍射分光鏡、衍射光束整形器和衍射勻光器。

衍射光柵

衍射光柵是一種具有微小周期性結構的光學結構，其中，這些結構之間的距離與光波長一樣?。丛谖⒚谆蚣{米范圍內）。這些結構可以將入射光重定向到多個空間方向，這些方向被稱為衍射級次。衍射光柵的應用十分廣泛，涵蓋光譜分析到增強現實（AR）眼鏡等技術。 

表面浮雕光柵（SRG）和體積全息光柵（VHG）

目前業內有兩種類型的衍射光柵：

• 表面浮雕光柵
• 體積全息光柵

表面浮雕光柵具有使用金剛石車削、3D打印或光刻技術等機械方法制造的小型周期性刻線。每種光柵中的刻線都不相同，使設計人員能夠根據預期應用和波長范圍定制光柵，實現對光的調控。周期性和結構的變化會改變光柵的衍射效率和衍射級次，這有助于在調控光線時實現更好的控制。

使用Ansys Lumerical FDTD軟件中的嚴格耦合波分析（RCWA）求解器，對2D刻劃光柵的透射特性進行仿真

體積全息光柵是通過在感光材料中記錄全息圖案制造而成的。首先，感光材料（即聚合物或玻璃）暴露于由兩個相干激光束產生的干涉圖案中，這就形成了基板材料中折射率的三維調制。

當光以原始記錄的入射角之一照射光柵時，它會再現流程中使用的第二個記錄光束。響應的帶寬取決于材料、調制指數和光柵厚度。

體積全息光柵（VHG）的形成

當光柵被激光束1照亮時，它會將激光束2重建為輸出光束

菲涅爾波帶片

菲涅爾波帶片由線密度呈徑向增加的環形光柵（即靠近外邊緣的環）組成。同心光柵在透明區和不透明區之間交替變化。照射到透明環帶的光會被透射，而照射到不透明環帶的光則會發生衍射。環帶之間的間距決定了衍射光的干涉方式，使其聚焦形成圖像。菲涅爾波帶片可用于不同的波長，因此其在X射線成像、光譜學、攝影和望遠鏡等許多應用中極具價值。

衍射分束器

衍射分束器是將入射光光束分成多個光束輸出或衍射級次的光柵。每個輸出光束都保留與輸入光束相同的光學特性。這類器件通常用于激光等設備中的單色光，并針對特定的波長和衍射角進行設計。

衍射分束器的仿真

衍射光束整形器

衍射光束整形器會改變具有高斯強度分布的激光光束的相位分布和強度，也就是說，光束的亮度在中心最強，向邊緣平滑遞減，呈現出曲線分布。衍射光束整形器可調控輸入光束的特性，以改變輸出光束的形狀。輸出光束通常為環形或矩形，但也可以獲得其他光束幾何結構輪廓。衍射光束整形器可用于光刻、全息照明、光學傳感器、生物醫學應用和激光材料加工等領域。

衍射勻光器

衍射勻光器也可將入射激光束轉換為多個輸出光束，但主要區別在于，這些輸出光束會相互重疊和干涉，從而形成均勻的分布。它們通常由特定的微觀結構組成，用于確定光的衍射和分布方式。工程師可以設計這些微米級結構，以實現不同的照明圖案（例如環形、正方形或十字形）。

衍射勻光器可用于實現光源均勻化，并將較窄的光束傳播到更廣泛的角度范圍內，而不受傳統折射光學元件的限制，其應用包括：機器視覺系統，可提供均勻的照明以實現更好的圖像捕獲；顯示器，可用于改善視角；閃光激光雷達，可用于將激光束均勻分布到廣闊的區域；以及掃描激光雷達，可用于控制激光光束的擴散程度（這也被稱為擴散角）。

先進的衍射光學元件

作為新一代光學技術的代表，新型先進的衍射光學元件方興未艾，比肩業內成熟的DOE產品。這些先進的衍射光學元件使用納米壓印和光刻等先進半導體制造技術創建而成。當今最重要的兩種先進DOE是用于光子集成電路（PIC）的超透鏡和光柵耦合器。

超透鏡

超透鏡由分布在基板上的數百萬個元原子（具有不同形狀和大小的納米級結構）組成，以形成透鏡。表面上的元原子的大小和位置會改變光波的重定向方式。超透鏡和一縷頭發一樣纖薄，而且更緊湊，所以可替代笨重的傳統透鏡。超透鏡的重量非常輕，因此成為了便攜式設備的理想之選。此外，超透鏡還可以使用大規模生產半導體芯片所用的工藝和設備來制造。

超透鏡還可以聚焦或過濾特定顏色或波長，從而顯著減少色差。得益于這些優勢，超透鏡有望在許多應用中替代傳統折射透鏡，包括增強現實眼鏡中的投影系統，用于內窺鏡的纖薄緊湊型雙向成像/投影透鏡，以及手機和無人機中的成像攝像頭。

Ansys Lumerical FDTD軟件中的超透鏡仿真。元原子顯示為外凸的柱狀結構，其尺寸和位置各不相同

光子集成電路的光柵耦合器

另一個領域是共封裝光學，這是由光學元件和封裝基板上的硅組成的集成系統。共封裝光學器件旨在應對現代電子產品的功耗和帶寬挑戰，并被視為光子集成電路開發的重要基石。一些主要應用包括增強現實、虛擬現實、圖像傳感器和光通信等。

利用共封裝光學技術，我們能夠耦合兩個不同尺寸的波導（輸入波導和輸出波導），使光在兩者之間傳輸時具有低衰減或最小的信號損耗。這些連接結構有望成為光子PIC的基本構建單元，從而可用光子元件取代電子元件。因為光的傳輸速度比電子的速度快，這意味著，從理論上電路可以實現更快的運行速度和更高的數據傳輸速度，因此，未來PIC預計將備受青睞。

如何對衍射光學元件進行仿真和設計？

衍射光學元件的復雜性和小尺度使其成為了3D電磁仿真軟件的理想備選方案。例如，對于超透鏡，仿真可以幫助研究人員檢查元原子的位置和大小，以對光通過不同布局的衍射進行仿真。仿真可幫助設計人員分析由衍射光學元件調制時的場分布、遠場方向圖和波前變化。

Ansys Lumerical套件、Ansys Speos軟件和Ansys Zemax OpticStudio軟件都可以對衍射光學元件進行仿真。在Lumerical套件中，可以使用FDTD和RCWA求解器對單個組件進行設計，而在OpticStudio軟件中，可以對DOE的性能進行分析。這些軟件包使您能夠同時對單個透鏡或多個透鏡進行仿真。

借助光柵耦合器和微透鏡，實現光從光纖向波導的傳播與耦合

使用Lumerical亞波長模型插件對可變入射光的衍射反射進行仿真，并在Speos軟件中創建光譜錐光圖動畫

超透鏡的設計和仿真

仿真軟件可以顯示光如何穿過具有不同元原子布局和尺寸的超透鏡，然后導出用于制造的設計數據。這些仿真技術，可用于開發增強現實和緊湊型投影儀應用的透鏡。Ansys軟件中的多GPU設置，可通過結合多個GPU的內存和處理能力來加速仿真性能，使您能夠對包含數百萬個元原子的大型超透鏡系統進行仿真。

在OpticStudio軟件中使用Lumerical超透鏡插件進行的超透鏡仿真

共封裝光學仿真

Lumerical套件的共封裝光學仿真，可以對光如何通過波導傳播進行建模，并展示波導形狀在光波分束與引導中的重要作用。這些數字模型展示了共封裝光學如何支持PIC的開發。此外，光學仿真還可以幫助設計人員評估衍射光柵將光耦合到波導的效率，并展示了如何調控光的傳播方式，以適應后續波導的形狀和尺寸。與此同時，它們還可以對如何組合波前以形成特定圖樣進行建模。

共封裝光學光柵耦合器輸入-輸出設計

衍射光學的未來前景

超透鏡和共封裝光學可支持許多技術的發展，包括：

• 更纖薄、更緊湊的手機和攝像頭
• 可以取代CMOS圖像傳感器微透鏡陣列和Bayer彩色濾光片的超表面
• 輕巧緊湊，具有更明亮、更清晰畫面的增強現實眼鏡
• 可取代傳統電子元件并實現更快通信的光子元件
• 先進的醫療光學技術，包括共聚焦激光掃描顯微鏡、光學相干斷層掃描（OCT）、內窺鏡和人工晶狀體

Ansys軟件工具，可幫助企業在生產制造開始之前，就對設計進行有效改進和完善。Lumerical套件等工具可支持衍射光學元件設計，其不僅在學術界廣受歡迎，還被許多全球性企業用于改進其產品。如果您希望優化衍射光學元件的設計和制造，并在市場中占據領先地位，歡迎聯系我們的技術團隊。