光柵衍射分析的案例
OAS 軟件光柵衍射案例來解決
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 無源奇偶-時間光柵的衍射特性
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 無源奇偶-時間光柵的衍射特性
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
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? 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
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-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 [VirtualLab] 無源奇偶-時間光柵的衍射特性
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
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無源奇偶-時間光柵的衍射特性
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
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-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 無源奇偶-時間光柵的衍射特性
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。
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創建光柵結構
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分析光柵衍射效率
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通過參數運行檢查不同參數的影響
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展開 三維（3D）光柵建模教程
配置傅里葉模態法（FMM），在傳播方法(Propagation Methods)標簽下，點擊”編輯”(Edit)進入FMM配置窗口，選擇衍射級數目(Number of Diffraction Orders)。衍射級數目表示使用FMM方法時所考慮計算的衍射級次總數。
9. 如何選擇衍射級數目？新建參數遍歷(New Parameter Run)，將衍射級數目設置為變量，逐步增加衍射級數目，使用光柵衍射效率分析器(Grating Efficiency Analyzer)確定要獲得真實可信的結果（衍射效率達到收斂時）所需要用到的衍射級數目。操作如下圖：
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
PS：由反射率和迭代步數之間的曲線圖可以看出，當衍射級次數為21時，計算的結果趨于穩定，即結果收斂
10. 調整衍射級數目，進入光柵編輯窗口中的傳播(Propagation)子界面，將X和Y方向上的的衍射級數目都改為21
11. 進行近場計算，通過點擊Go! ，計算光柵的透射場和反射場
左邊為以鉻介質構建的三維光柵透射場，右邊為反射場
12. 光柵效率計算，雙擊 ，進入光柵衍射效率分析器（Grating Efficiency Analyzer (3D)），設置如下
13. 將模擬類型改成光柵衍射效率分析器，點擊Go，開始進行光柵效率計算
光柵衍射效率分析器計算結果：左邊為透射效率，右邊為反射效率
三維光柵總的反射效率，透射效率以及吸收率
展開 TechWiz LCD 3D：衍射光柵分析
TechWiz LCD 3D 的衍射分析功能可以分析和設計衍射光柵。 用戶可以通過該功能查看設計器件的衍射強度和衍射角。
衍射圖像分析
增加了衍射圖像分析功能，可以預測相位光柵裝置后面的圖像。 該功能可以將設計的相位光柵器件的性能顯示為圖像，可用于智能窗口應用。
使用 LC 相位光柵模擬的衍射圖像
通過 LC 相位光柵單元后的圖像
TechWiz LCD 3D：衍射光柵分析
TechWiz LCD 3D 的衍射分析功能可以分析和設計衍射光柵。用戶可以通過該功能查看設計器件的衍射強度和衍射角。
衍射圖像分析
增加了衍射圖像分析功能，可以預測相位光柵裝置后面的圖像。 該功能可以將設計的相位光柵器件的性能顯示為圖像，可用于智能窗口應用。
使用 LC 相位光柵模擬的衍射圖像
通過 LC 相位光柵單元后的圖像
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
TechWiz LCD 3D應用：液晶面板和光柵衍射分析
?
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。
TechWiz LCD 3D應用：液晶面板和光柵衍射分析
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
（f）衍射效率
（g）圖像分析
□智能窗
（h）液晶指向矢分布和相位差曲線 （i）衍射效率，POM圖像，以及衍射圖樣
[1] C.-H. Han, T.-H. Choi, W.-S. Kim, S.-W. Oh, Diffractive liquid crystal device for privacy window with a low operating voltage, J. Inf. Disp. 24 249–254(2023).
（j）衍射效率，衍射圖樣，以及POM圖像 （k）衍射圖像分析
[2] C.-H. Han, S.-W. Oh, A high-haze liquid crystal grating device with asymmetric anchoring energies, Displays 81 102581 (2024).
□偏振體光柵（PVGs）
（l）ChLC PVGs （m）入射光
展開 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
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VirtualLab Fusion技術
文件信息
展開 [VirtualLab] 傾斜光柵的參數優化與容差分析
對于這些應用，傾斜光柵因為能夠高效地耦合單色光而被熟知。在此示例中，介紹了使用嚴格的傅里葉模態法（FMM，也稱為RCWA）對傾斜光柵進行優化。對于給定的方向級次，優化的光柵展示出超過90％的衍射效率。此外，還研究了斜率偏差和光柵圓角的影響。
設計任務
1級參數優化
結果-容差分析
結果-容差分析
VirtualLab Fusion一瞥
VirtualLab Fusion中的工作流程
構建光柵結構
?使用特殊材料的光柵結構設定 [用例]
?傾斜光柵高級設定 [用例]
?光柵衍射效率分析
?光柵階序分析器 [用例]
?使用參數優化進行光柵參數優化
?使用參數運行的容差分析
VirtualLab Fusion技術
文件信息
更多閱讀
- Parametric Optimization and Tolerance Analysis of Slanted Gratings
- Optimization of Lightguide Coupling Grating for Single Incidence Direction
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