光柵衍射仿真
關注創建者：匿名 創建時間：2025-11-21
光柵衍射仿真的實例教程
光柵衍射案例分析
簡介
光柵衍射是光學領域中典型的波動光學現象，其衍射光斑的分布規律直接反映了光柵的結構特性與入射光的傳播特性，在光譜分析、光通信、精密測量等領域具有重要應用價值。本案例基于 OAS 光學軟件，通過搭建標準化的光柵衍射仿真模型，實現對光柵衍射過程的精準模擬。
案例設置與操作
參數設置
在 Z 軸坐標為 2mm 的位置（Z=2mm）搭建核心光學元件 ——光柵。光柵孔徑設置尺寸為 1mm，孔徑形狀采用圓形（默認標準形狀，可根據實際需求調整為矩形或其他異形結構），確保光柵的有效通光區域符合仿真場景需求；
在軟件的光柵屬性設置界面中，明確勾選 “考慮 0 級、+1 級、-1 級衍射光線” 選項，屏蔽更高級數（如 ±2 級、±3 級）的衍射光線，以聚焦核心級數的傳播與成像分析，同時降低仿真計算量；
根據實際光柵類型（如透射式、反射式）設置光柵的折射率（透射式）或反射率（反射式），默認采用標準光學玻璃折射率（n=1.5168），確保光柵的光學特性符合常規應用場景。
光源設置及建模
在 OAS 軟件的光學系統建模界面中，首先完成平面光源的創建與參數配置。將光源放置于 Z 軸坐標為 0mm 的平面（Z=0 平面），該平面光源采用單色光輸出（默認波長可根據仿真需求自定義調整），光源的發光區域尺寸需與后續光柵孔徑尺寸匹配，確保入射光能夠完整覆蓋光柵有效區域，避免因光源尺寸不足導致衍射光線信息缺失。同時，設置光源的光強分布為均勻分布，以消除光源自身不均勻性對衍射結果的干擾。
探測器設置
在 Z 軸坐標為 4mm 的位置（Z=4mm）創建平面探測器，作為衍射光斑的接收與成像裝置。
展開 01 說明
此示例描述了衍射光柵對正入射寬帶平面波的響應。Lumerical提供了一組光柵腳本以及“光柵階數傳輸”分析組，可以輕松計算常見結果，例如不同波長的光柵階數、衍射角和光柵效率，光柵分析組還可用于獲得特定光柵階數的功率分數。
02 綜述
本例中的衍射光柵是平面上半橢球的二維陣列。一個寬帶（0.85~1μm)平面波通常從襯底入射到表面光柵上，從而在透射和反射區域產生多個衍射級。“光柵階次傳輸”分析組使用各種與光柵相關的命令，并返回對光柵的一般表征有用的綜合結果列表：
光柵階數
每個光柵階數的光柵效率
每個光柵階的S或P偏振光的光柵效率
每個光柵階的方向余弦（遠場半球中的theta和phi值）
上述結果作為波長函數返回，可直接用于您的光柵設計或進一步處理以產生您感興趣的品質因數。
03 運行和結果
在FDTD中打開并運行仿真文件(diffraction_grating_FDTD.fsp.)，然后打開并運行腳本文件(diffraction_grating_FDTD.lsf.)
光柵階數與波長
下圖顯示了光柵在不同波長支持的透射/反射階數。可以注意到：
光柵在更短波長支持更多的衍射級次。
反射比透射顯示更多的光柵階數。這是因為基板的折射率(1.45)大于空氣的折射率，這意味著基板中的有效波長較短。這與上述觀察一致。
透射和反射均顯示光柵階數在0.9μm處發生突變，低于0.9出現新的光柵階數。
展開 摘要
某些光學系統和光學組件已被用來等效研究相應的量子力學效應，如Zhu等人已報道了無源奇偶-時間（PT）光柵，[Appl. Phys. Lett. 109, 111101 (2016)] 2016)]。在此示例中，我們遵循Zhu構建了無源PT光柵，并使用傅里葉模態方法（FMM）進行了研究。特別地，我們顯示了具有選定光柵結構參數和光偏振態的非對稱衍射效應。
建模任務
條紋間隔（s=0.375d）——TM偏振
條紋間隔（s=0.375d）——TE偏振
條紋間隔（s=0.25d）——TM偏振
條紋間隔（s=0.25d）——TE偏振
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion工作流程
? 創建光柵結構
?使用特殊介質配置光柵結構[用戶案例]
? 分析光柵衍射效率
?光柵級次分析器[用戶案例]
? 通過參數運行檢查不同參數的影響
? 利用參數運行文檔[用戶案例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
進一步閱讀
-超稀疏介電納米線柵偏光片
-納米柱超表面構件的嚴格分析
展開 重要模型設置
PML性能 ：衍射光柵可以有多個衍射階數，導致一些階數以陡峭的角度傳播。為了改善 pml 的吸收特性，您可能需要通過指定“殼厚度”來修改 pml 邊界條件中的設置和/或“模擬區域”對象中 pml 的“厚度”。
均勻環境：光柵分析假設監視器位置及更遠（朝向傳播方向）的介質是均勻 的。如果顯示器上或顯示器外有任何指數變化，光柵分析將給出不正確的結果。
網格覆蓋 ：透射和反射監視器上有網格覆蓋對象。這是為了給近場監視器提供更多的空間數據點，從而提高光柵投影結果的精度。
使用參數更新模型
不同的幾何形狀：用您自己的幾何形狀替換幾何圖形時，請確保“FDTD”的跨度已更新以匹配結構的周期。如果光柵在一個方向上具有相同的橫截面，則可以改為運行 2D 仿真。
非正態發生率：當前示例處理正態發生率 。如果要仿真光柵對寬帶角度注入的響應，則需要運行單頻仿真，并在感興趣的頻率范圍內掃描頻率。
進一步推廣模型
非矩形晶格：Lumerical 中的光柵投影假定晶胞的矩形陣列。但是，您也可以將其用于具有非矩形晶格或混合周期的光柵。在下面所示的三角晶格光柵中，您可以形成一個較大的矩形晶胞（紅色），由三角晶格的兩個較小的晶胞（黃色）組成。
展開 生成光柵布局，布局如圖3所示。
圖3.光柵布局通過VB腳本生成
設置仿真參數
1.在Simulation菜單下選擇“2D simulation parameters…”，將出現仿真參數對話框
2.在仿真參數對話框中，設置以下參數：
TE simulation
Mesh Delta X: 0.015
Mesh Delta Z: 0.015
Time Step Size: Auto Run for 1000 Time steps
設置邊界條件設置X和Z邊為各向異性PML邊界條件。
Number of Anisotropic PML layers: 15
其它參數保持默認
運行仿真
?在仿真參數中點擊Run按鈕，啟動仿真
?在分析儀中，可以觀察到各場分量的時域響應
?仿真完成后，點擊“Yes”，啟動分析儀。
遠場分析衍射波
1.在OptiFDTD Analyzer中，在工具窗口中選擇“Crosscut Viewer”
2.選擇“Definition of the Cross Cut”為z方向
3.將位置移動到等于92的網格點，(位置:-0.12)觀察當前位置的近場
4.在Crosscut Viewer的工具菜單中選擇“Far Field”，出現遠場轉換對話框。
展開 
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光柵衍射仿真的最新內容
1.2 行業研發仿真痛點
衍射波導AR HUD跨尺度光學特性顯著，納米級光柵結構與宏觀鏡頭、風擋、波導結構相互耦合，研發過程面臨多重仿真難題：
跨尺度仿真割裂：納米光柵衍射特性與宏觀鏡頭光路無法同步建模分析；
多部件協同難：投影鏡頭、耦合光柵、光波導、車載風擋的光學匹配難以校驗；
真實場景適配弱：無法模擬日光干擾、環境路況、人眼實際視覺感知效果；
性能量化缺失：視場角
與 STACK 求解器不同，RCWA 求解器適用于具有層幾何形狀周期性變化的結構，例如光子晶體和衍射光柵。由于仿真時間通常遠短于 FDTD，RCWA 求解器是分析這類周期性結構的理想工具。
RCWA 方法原理
RCWA 方法是一種用于求解多層結構中麥克斯韋方程的半解析技術。在該方法中，結構沿傳播方向被劃分為一系列均勻的層。
授課時間
2026/5/19（二）-5/20（三）
AM 9:00-PM 16:00
授課地點
上海市嘉定區南翔銀翔路819號中暨大廈18樓1805室
課程講師
訊技光電工程團隊及資深顧問
課程費用
4800RMB/1人次
(課程包含課程材料費、開票稅金、午餐費)
課程簡介
授課時間：：2026/5/28（四）-5/29（五）（各城市并行開課）
課程時數：2天/城市
授課地點：深圳市光明區鳳凰街道尚智科技園1棟B座1503
課程講師：訊技光電工程師隊
課程費用：3600RMB/1人次
(課程包含課程材料費、開票稅金、午餐費)
課程簡介
Course Introduction
光柵是現代光學系統中最為常用的一種衍射光學元件
前言
在光學設計領域，鏡頭系統是核心研究對象，鏡頭相關設計與仿真在光學設計中占據著重要比重。傳統鏡頭分析多依托幾何鏡頭設計等專業工具，而在需要精細化衍射分析的實際場景中，光學仿真需兼顧衍射效應等關鍵物理特性。本次我將以像散轉換器為實操案例，為大家講解如何通過 VirtualLab Fusion 導入鏡頭文件，完成包含衍射分析的光學系統仿真。
圖1. 模式像散轉換器概念圖
如圖1所示
?
狹縫模擬
偏振體光柵(PVGs)模擬也可以用來識別一階反射率。
基于極坐標圖和圖像結果文件，對考慮衍射效應的光柵模型的設計有很大的幫助。
液晶顯示面板的光柵結構產生了衍射圖樣。根據遠場方程，將衍射光計算為輸出光通過光柵介質的電場之和。
液晶顯示面板的光柵結構產生了衍射圖樣。根據遠場方程，將衍射光計算為輸出光通過光柵介質的電場之和。
基于極坐標圖和圖像結果文件，對考慮衍射效應的光柵模型的設計有很大的幫助。
偏振體光柵(PVGs)模擬也可以用來識別一階反射率。
? 狹縫模擬
（a）極坐標圖
（b）顏色輪廓
（c）衍射強度
? 液晶相位光柵模擬
（d）TRN數據 （e）極坐標圖
用于光柵仿真的非偏振光3個月前
光柵仿真中的非偏振光
光柵等光學設備對光的偏振很敏感。 因此，在仿真中正確考慮光的偏振非常重要。 在實踐中，光柵有時使用非偏振光作為輸入。 我們展示了如何將這種非偏振光建模為兩個正交偏振態的平均值，用于 VirtualLab Fusion 中的光柵仿真。 提供了示例來說明軟件中的相應設置。
摘要
光柵等光學設備對光的偏振很敏感。 因此，在仿真中正確考慮光的偏振非常重要。 在實踐中，光柵有時使用非偏振光作為輸入。 我們展示了如何將這種非偏振光建模為兩個正交偏振態的平均值，用于 VirtualLab Fusion 中的光柵仿真。 提供了示例來說明軟件中的相應設置。
光柵仿真中的非偏振光
? 光柵分析
– 對于使用傅立葉模態方法 (FMM / RCWA) 的單光柵分析
最后，通過使用 VirtualLab Fusion 進行仿真，顯示了對不期望的高衍射級次的抑制效果。
在本示例中，根據 Bang 等人的研究成果，在分束 DOE 系統中將體光柵設計成角度濾波器，以抑制不需要的高衍射階數。為此，首先分析了體光柵的角度靈敏度。
全息體光柵通常由雙光束干涉制成，以其波長和角度敏感性而著稱
