閃耀光柵效率分析的案例
使用VirtualLab Fusion對閃耀光柵分析
光譜儀通常由閃耀光柵和反射鏡組成。在VirtualLab中，對作為關鍵部分的光柵的衍射特性，采用嚴格的傅里葉模態法(FMM)進行分析。得到的結果被納入系統建模，并在幾秒內完成仿真。
切爾尼-特納單色儀
提出了一種基于物理光學的切爾尼-特納單色儀的仿真，它由拋物面反射鏡和一個閃耀光柵組成。
切爾尼-特納單色儀
用傅里葉模態法FMM對閃耀光柵進行分析
傅里葉模態法(FMM)可用于對光柵效率進行嚴格分析。VirtualLab允許在單個模擬中進行嚴格的效率分析，同時也允許在模擬范圍內進行參數變化。
用傅里葉模態法FMM對閃耀光柵進行分析
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展開 JCMsuite案例展示：閃耀光柵的仿真分析
JCMsuite案例展示
閃耀光柵的仿真分析
這是一維周期線光柵案例的一個變形。它的靈感來自閃耀光柵。在一維線柵的案例中，周期單元晶胞包含通過光柵的二維橫截面。這里的橫截面包含兩個寬度、高度和角度不同的三角形。這些三角形線條位于襯底上，被背景材料包圍。示例中的材料選擇為鉻(線柵)、玻璃(基底)和空氣(背景材料)。
光柵被S和P偏振平面波照亮。JCMsuite計算近場分布。下圖顯示了當波長為193nm時，平面波從襯底側垂直入射到結構內的近場強度
S偏振光照明的近場強度
P偏振光照明的近場強度
后處理傅里葉變換計算透射衍射級次的振幅。
參數掃描
Matlab?腳本data_analysis/run_scan_illumination.m提供對入射角的掃描。它產生了以下圖表，顯示了反射和透射衍射級次的強度:
在腳本data_analysis/run_scan_height.m中,在一個固定的照明角度下，其中一條三角形線的高度從50nm增至120nm。這將產生以下高度依賴關系
展開 [VirtualLab] 使用傅里葉模態法分析閃耀光柵
摘要
可用于嚴格分析光柵效率。在VirtualLab Fusion中，可以設置光柵系統、執行嚴格的分析、并以不同的格式分析結果（例如光柵階次匯集、單值等）。與參數運行結合使用，可以在給定的參數空間上進行掃描，以研究指定結構在不同配置下的性能。
傅里葉模態法（FMM，也稱為RCWA）
建模任務
單次FMM仿真結果
參數掃描（1D）
參數掃描（2D）
文件信息
拓展閱讀
-Grating Order Analyzer
-Optimization of Lightguide Coupling Grating for Single Incidence Direction
展開 使用傅里葉模態法分析閃耀光柵
摘要
可用于嚴格分析光柵效率。在VirtualLab Fusion中，可以設置光柵系統、執行嚴格的分析、并以不同的格式分析結果（例如光柵階次匯集、單值等）。與參數運行結合使用，可以在給定的參數空間上進行掃描，以研究指定結構在不同配置下的性能。
傅里葉模態法（FMM，也稱為RCWA）
建模任務
單次FMM仿真結果
參數掃描（1D）
參數掃描（2D）
文件信息
VirtualLab運用：受粗糙光柵表面影響的光柵級次效率分析
該案例介紹了一個正弦光柵的仿真，該光柵表面具有隨機變化的粗糙度結構。此外，分析了對衍射級次的影響，特別是衍射效率。
1.建模任務
?一個正弦光柵不同衍射級次的嚴格分析和優化。
?對于該仿真，采用傅里葉模態法。
2.建模任務：正弦光柵
x-z方向(截面視圖)
光柵參數：
?周期：0.908um
?高度：1.15um
(這些參數提供了一個具有均勻分布傳輸效率0級和±1級衍射級次，詳見案例341)
3.建模任務
?VirtualLab光柵工具箱提供的光柵級次分析器，可對光柵衍射效率進行嚴格的計算。
?利用該分析器，也可以分別計算出現的每個衍射級次的衍射效率。
4.光滑結構的分析
?計算衍射效率后，結果可在級次采集圖中顯示。
?對于光滑結構，參數平穩，0級和±1衍射級次的傳輸效率大約為32%
5.增加一個粗糙表面
?VirtualLab光柵工具箱可將兩個界面進行組合(如添加)。
?因此任意光柵形狀(如正弦光柵)可以與粗糙表面組合，形成粗糙光柵面型。
?該粗糙面有可通過幾個選項來實現表面的變化(如周期化)。
?第一個重要的物理參數稱為”最小特征尺寸”。
?第二個重要的物理參數是定義”總調制高度”。
展開 [VirtualLab] 閃耀超穎光柵的建模與設計
閃耀光柵構建
初始設計性能分析
傳輸場可視化
超穎光柵的進一步優化
優化后設計的性能分析
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion工作流程
?分析超表面(metasurface)單元格
?納米柱超表面構件的嚴格分析 [用例]
?構建超穎光柵
?分析光柵衍射效率
?光柵級次分析儀 [用例]
?光柵結構的參數優化
VirtualLab Fusion技術
文件信息
更多閱覽
-Rigorous Analysis of Nanopillar Metasurface Building Block
-Analysis and Design of Highly Efficient Polarization Independent Transmission Gratings
展開 閃耀超穎光柵的建模與設計
閃耀光柵構建
初始設計性能分析
傳輸場可視化
超穎光柵的進一步優化
優化后設計的性能分析
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion工作流程
?分析超表面(metasurface)單元格
?納米柱超表面構件的嚴格分析[用例]
?構建超穎光柵
?分析光柵衍射效率
?光柵級次分析儀[用例]
?光柵結構的參數優化
VirtualLab Fusion技術
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更多閱覽
-Rigorous Analysis of Nanopillar Metasurface Building Block
-Analysis and Design of Highly Efficient Polarization Independent Transmission Gratings
展開 [NEWSLETTER] 閃耀超穎光柵的設計
在不同的應用中，超穎光柵和常規的超表面開始引起越來越多的關注。它們以在非傍軸情況下保持高衍射效率而聞名。通過適當選擇納米柱的類型作為超穎光柵的晶胞，可以實現對偏振不敏感的設計。根據P. Lalanne等人 –超表面研究領域的先驅–的工作，我們構建了一個閃耀超穎光柵，并在VirtualLab Fusion中對其進行了優化。
閃耀超穎光柵的建模和設計
我們使用VirtualLab Fusion設計并構建了使用方形納米柱的閃耀超穎光柵，分析了其偏振相關的衍射效率，并對其進行了進一步優化。
超光柵的構造–實例討論
根據選定的示例，我們展示了如何在VirtualLab Fusion中構造和配置超光柵結構和材料。
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展開 閃耀光柵的Littrow配置
摘要
Littrow結構是單色器、光譜儀和諧振器中一種非常常用的定向閃耀光柵的方法，其目的是在衍射角等于入射角的情況下獲得最高效率。顯然，這種類型的系統對不同元件的位置非常敏感，此外，這些最佳位置十分依賴波長和光柵的周期。我們在這里提供了一個根據Littrow配置的光學裝置，而且，通過一些編程，即使在波長或光柵周期的變化下，也能保持這些最佳位置。
建模任務
VirtualLab Fusion中的參數耦合特性可以幫助配置系統，使光柵和探測器都根據Littrow自動定位。
光源
?基模高斯光束
?小發散度(半角div. 0.005 deg)
?波長 488 nm
Littrow配置
?所謂的“Littrow”結構是一種光柵定向的特殊設置，目的是確保反射的一階衍射角(R1)等于入射光束。
?空氣中反射的光柵方程：
其中??、??、??分別表示入射角、衍射角和衍射階數。
?為了得到第一反射階的衍射角，它等于入射角，光柵方程就變成：
?因此，利用入射光束的波長和光柵的周期可以計算出光柵的旋轉角度(Littrow角)：
系統構建模塊-光源和組件
使用參數耦合
這個光學設置已經建立使用參數耦合特性，這允許用戶可以通過編程連接系統的多個參數和變量。
在這種情況下，光柵的旋轉，以及兩個探測器的方向和位置(一個是0階的R0，另一個是1階的R1，都是反射)將通過參數耦合自動確定。
0階(R0)光柵定位探測器的旋轉
在VirtualLab Fusion中旋轉光學系統中的一個元件時，默認的反射通道(與光柵的0階重合)將被分配一個符合斯涅爾定律的坐標系。
展開 JCMsuite應用：閃耀光柵
這是一維周期線光柵案例的一個變形。它的靈感來自閃耀光柵。在一維線柵的案例中，周期單元晶胞包含通過光柵的二維橫截面。這里的橫截面包含兩個寬度、高度和角度不同的三角形。這些三角形線條位于襯底上，被背景材料包圍。示例中的材料選擇為鉻(線柵)、玻璃(基底)和空氣(背景材料)。
光柵被S和P偏振平面波照亮。JCMsuite計算近場分布。同時通過后處理傅里葉變換計算透射衍射級次的振幅。下圖顯示了當波長為193nm時，平面波從襯底側垂直入射到結構內的近場強度。
S偏振光照明的近場強度
P偏振光照明的近場強度
VirtualLab運用：線性正弦光柵的的近場和效率分析
■ 由于共振效應，具有小尺寸結構的光柵不在產生正弦位相分布。
■ 振幅同樣劇烈地改變。
■ 此時變化范圍從0.2 ~ 1.2.
■ 這是光柵周期趨近于波長量級時的典型現象。
說明
該案例中波長532nm,光柵周期1um，即結構在波長范圍內，通常要求采用傅里葉模態法進行嚴格分析。
因此VirtualLab非常適合這樣的研究工作。
此次僅計算3個反射級次和5個透射級次。因此分析速度很快。
不同變倍比顯示
數值的表格顯示
總結
■ VirtualLab可對表面光柵進行嚴格仿真。
■ 利用光柵工具箱，用戶可將嚴格的傅里葉模態法作為傳播技術和強大的計算工具，如對光柵近場和衍射效率的計算。
展開 
高衍射效率的偏振無關透射光柵的分析與設計
光柵，特別是具有與波長相當的特征尺寸的光柵，具有偏振相關的光學特性。 這使得設計的具有高衍射效率的光柵難以用于任意偏振。 根據文獻[T. Clausnitzer, et al，Proc. SPIE 5252,174-182（2003）]中報道的概念，我們展示了如何嚴格分析光柵的偏振相關特性，以及如何使用參數優化來設計具有高衍射效率的偏振無關光柵。
摘要
高衍射效率的偏振無關透射光柵的分析與設計
摘要
光柵，特別是具有與波長相當的特征尺寸的光柵，具有偏振相關的光學特性。 這使得設計的具有高衍射效率的光柵難以用于任意偏振。 根據文獻[T. Clausnitzer, et al，Proc. SPIE 5252,174-182（2003）]中報道的概念，我們展示了如何嚴格分析光柵的偏振相關特性，以及如何使用參數優化來設計具有高衍射效率的偏振無關光柵。
VirtualLab Fusion高衍射效率的偏振無關透射光柵的分析與設計
摘要
光柵，特別是具有與波長相當的特征尺寸的光柵，具有偏振相關的光學特性。 這使得設計的具有高衍射效率的光柵難以用于任意偏振。 根據文獻[T. Clausnitzer, et al，Proc. SPIE 5252,174-182（2003）]中報道的概念，我們展示了如何嚴格分析光柵的偏振相關特性，以及如何使用參數優化來設計具有高衍射效率的偏振無關光柵。
設計任務
光柵特性與參數的嚴格分析
不同光柵周期的衍射效率
考慮光柵周期的選擇
偏振相關衍射特性
偏振相關衍射特性
偏振相關衍射特性
基于參數優化的光柵設計
具有固定周期的二維參數優化
二維參數優化 - 設計＃1
二維參數優化 - 設計＃2
制造公差分析 - 設計＃2
不同光柵周期的三維參數優化
制造公差分析
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion 工作流程
VirtualLab Fusion技術
文件信息
展開 ZEMAX | 利用RCWA方法模擬表面浮雕光柵的衍射效率
如圖1(b)所示的VHG是通過在感光乳膠膜上曝光兩束或更多光束來制造的，然后用化學或熱顯影方法處理制成光柵。體全息光柵表面光滑，但其內部的折射率呈正弦變化。需要使用高效的Kogelnik理論 [2] 或增強型的嚴格耦合波分析等算法來模擬VHG。
OpticStudio提供了用于模擬SAR和VHG的DLL。本文介紹了用于模擬SRG衍射效率的工具。
用于VHG的工具，參見知識庫文章， 使用Kogelnik方法模擬體全息光柵的衍射效率 。
傅里葉模態法（嚴格耦合波分析）
讓我們快速回顧一下用于模擬SRG 的DLL中使用的理論。
傅里葉展開式
圖2. 在傅里葉空間展開麥克斯韋方程。將介電常數 ε 和磁導率 μ 都寫入傅里葉級數中， Λx和 Λy為x和y方向的周期，a和b是每個傅里葉項的系數，(m, n)是整數。將電場E和磁場H寫成平面波的組合，其中S和U是每個平面波的強度，k是波矢量。E 、 H 、S 、 U 和 k都是向量，表示 (Ex,Ey,Ez), (Hx,Hy,Hz), (Sx,Sy,Sz), (Ux,Uy,Uz) 和 (kx,ky,kz)。
Concept of layers
層的概念
層是RCWA中的重要概念。該理論假設光柵結構在z方向上是均勻分布的，在X、Y方向上是周期性分布的。如果該結構在Z方向上不是均勻分布，則認為該結構是多個“層”的組合。每一層上的結構在z方向上是均勻分布的，如圖3所示。
圖3. 在RCWA算法中，將微結構分割成許多層，每一層的結構在z方向上是均勻的。
一般而言，對結構的采樣層數越多，模擬結果越準確，但計算速度也越慢。這是準確性和速度之間的平衡。
DLL模型包含控制層數的參數。
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