衍射光柵仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2025-12-11
衍射光柵仿真的實例教程
光柵衍射案例分析
簡介
光柵衍射是光學(xué)領(lǐng)域中典型的波動光學(xué)現(xiàn)象，其衍射光斑的分布規(guī)律直接反映了光柵的結(jié)構(gòu)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(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。本案例基于 OAS 光學(xué)軟件，通過搭建標準化的光柵衍射仿真模型，實現(xiàn)對光柵衍射過程的精準模擬。
案例設(shè)置與操作
參數(shù)設(shè)置
在 Z 軸坐標為 2mm 的位置（Z=2mm）搭建核心光學(xué)元件 ——光柵。光柵孔徑設(shè)置尺寸為 1mm，孔徑形狀采用圓形（默認標準形狀，可根據(jù)實際需求調(diào)整為矩形或其他異形結(jié)構(gòu)），確保光柵的有效通光區(qū)域符合仿真場景需求；
在軟件的光柵屬性設(shè)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(shù)（如 ±2 級、±3 級）的衍射光線，以聚焦核心級數(shù)的傳播與成像分析，同時降低仿真計算量；
根據(jù)實際光柵類型（如透射式、反射式）設(shè)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(xué)玻璃折射率（n=1.5168），確保光柵的光學(xué)特性符合常規(guī)應(yīng)用場景。
光源設(shè)置及建模
在 OAS 軟件的光學(xué)系統(tǒng)建模界面中，首先完成平面光源的創(chuàng)建與參數(shù)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(jù)仿真需求自定義調(diào)整），光源的發(fā)光區(qū)域尺寸需與后續(xù)光柵孔徑尺寸匹配，確保入射光能夠完整覆蓋光柵有效區(qū)域，避免因光源尺寸不足導(dǎo)致衍射光線信息缺失。同時，設(shè)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(jié)果的干擾。
探測器設(shè)置
在 Z 軸坐標為 4mm 的位置（Z=4mm）創(chuàng)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(yīng)。Lumerical提供了一組光柵腳本以及“光柵階數(shù)傳輸”分析組，可以輕松計算常見結(jié)果，例如不同波長的光柵階數(shù)、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(shù)的功率分數(shù)。
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(qū)域產(chǎn)生多個衍射級。“光柵階次傳輸”分析組使用各種與光柵相關(guān)的命令，并返回對光柵的一般表征有用的綜合結(jié)果列表：
光柵階數(shù)
每個光柵階數(shù)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(jié)果作為波長函數(shù)返回，可直接用于您的光柵設(shè)計或進一步處理以產(chǎn)生您感興趣的品質(zhì)因數(shù)。
03 運行和結(jié)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(shù)與波長
下圖顯示了光柵在不同波長支持的透射/反射階數(shù)。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(shù)。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(shù)在0.9μm處發(fā)生突變，低于0.9出現(xiàn)新的光柵階數(shù)。
展開 摘要
某些光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)組件已被用來等效研究相應(yīng)的量子力學(xué)效應(yīng)，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(gòu)建了無源PT光柵，并使用傅里葉模態(tài)方法（FMM）進行了研究。特別地，我們顯示了具有選定光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)和光偏振態(tài)的非對稱衍射效應(yīng)。
建模任務(wù)
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(chuàng)建光柵結(jié)構(gòu)
?使用特殊介質(zhì)配置光柵結(jié)構(gòu)[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(shù)運行檢查不同參數(shù)的影響
? 利用參數(shù)運行文檔[用戶案例]
VirtualLab Fusion技術(shù)
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(gòu)件的嚴格分析
展開 重要模型設(shè)置
PML性能 ：衍射光柵可以有多個衍射階數(shù)，導(dǎo)致一些階數(shù)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(shè)置和/或“模擬區(qū)域”對象中 pml 的“厚度”。
均勻環(huán)境：光柵分析假設(shè)監(jiān)視器位置及更遠（朝向傳播方向）的介質(zhì)是均勻 的。如果顯示器上或顯示器外有任何指數(shù)變化，光柵分析將給出不正確的結(jié)果。
網(wǎng)格覆蓋 ：透射和反射監(jiān)視器上有網(wǎng)格覆蓋對象。這是為了給近場監(jiān)視器提供更多的空間數(shù)據(jù)點，從而提高光柵投影結(jié)果的精度。
使用參數(shù)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(jié)構(gòu)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(tài)發(fā)生率：當前示例處理正態(tài)發(fā)生率 。如果要仿真光柵對寬帶角度注入的響應(yīng)，則需要運行單頻仿真，并在感興趣的頻率范圍內(nèi)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(shè)置仿真參數(shù)
1.在Simulation菜單下選擇“2D simulation parameters…”，將出現(xiàn)仿真參數(shù)對話框
2.在仿真參數(shù)對話框中，設(shè)置以下參數(shù)：
TE simulation
Mesh Delta X: 0.015
Mesh Delta Z: 0.015
Time Step Size: Auto Run for 1000 Time steps
設(shè)置邊界條件設(shè)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(shù)保持默認
運行仿真
?在仿真參數(shù)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(yīng)
?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(wǎng)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(xiàn)遠場轉(zhuǎn)換對話框。
展開 
衍射光柵仿真的相關(guān)專題、標簽、搜索
衍射光柵仿真的最新內(nèi)容
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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的理想工具。
RCWA 方法原理
RCWA 方法是一種用于求解多層結(jié)構(gòu)中麥克斯韋方程的半解析技術(shù)。在該方法中，結(jié)構(gòu)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(qū)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(shù)：2天/城市
授課地點：深圳市光明區(qū)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(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中最為常用的一種衍射光學(xué)元件
前言
在光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域，鏡頭系統(tǒng)是核心研究對象，鏡頭相關(guān)設(shè)計與仿真在光學(xué)設(shè)計中占據(jù)著重要比重。傳統(tǒng)鏡頭分析多依托幾何鏡頭設(shè)計等專業(yè)工具，而在需要精細化衍射分析的實際場景中，光學(xué)仿真需兼顧衍射效應(yīng)等關(guān)鍵物理特性。本次我將以像散轉(zhuǎn)換器為實操案例，為大家講解如何通過 VirtualLab Fusion 導(dǎo)入鏡頭文件，完成包含衍射分析的光學(xué)系統(tǒng)仿真。
圖1. 模式像散轉(zhuǎn)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(jié)果文件，對考慮衍射效應(yīng)的光柵模型的設(shè)計有很大的幫助。
液晶顯示面板的光柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了衍射圖樣。根據(jù)遠場方程，將衍射光計算為輸出光通過光柵介質(zhì)的電場之和。
液晶顯示面板的光柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了衍射圖樣。根據(jù)遠場方程，將衍射光計算為輸出光通過光柵介質(zhì)的電場之和。
基于極坐標圖和圖像結(jié)果文件，對考慮衍射效應(yīng)的光柵模型的設(shè)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(shù)據(jù) （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(xué)設(shè)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(tài)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(yīng)設(shè)置。
摘要
光柵等光學(xué)設(shè)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(tài)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(yīng)設(shè)置。
光柵仿真中的非偏振光
? 光柵分析
– 對于使用傅立葉模態(tài)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(jù) Bang 等人的研究成果，在分束 DOE 系統(tǒng)中將體光柵設(shè)計成角度濾波器，以抑制不需要的高衍射階數(shù)。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
摘要
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。因此，它們可以被設(shè)計成角度截止濾波器。
在本示例中，根據(jù) Bang 等人的研究成果，在分束 DOE 系統(tǒng)中將體光柵設(shè)計成角度濾波器，以抑制不需要的高衍射階數(shù)。為此，首先分析了體光柵的角度靈敏度。
最后，通過使用 VirtualLab Fusion
