衍射光柵仿真的案例
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 技巧-Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實例
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 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
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
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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展開 Ansys Lumerical | 衍射光柵 （DGTD）
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 OptiFDTD應用：光柵衍射的遠場分布
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 [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
條紋間隔（s=0.25d）——TM偏振
條紋間隔（s=0.25d）——TE偏振
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?光柵級次分析器[用戶案例]
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? 利用參數運行文檔[用戶案例]
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文件信息
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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 鍍膜正弦光柵中光衍射的精確模擬
案例246.01：鍍膜正弦光柵中光衍射的精確模擬
這個案例演示了對于鍍膜光柵的嚴格模擬，它說明了鍍膜對所有反射級次的總反射效率的影響。
關鍵詞：嚴格分析，FMM，正弦光柵，鍍膜
所需工具箱子：光柵工具箱
相關案例：G.001a,Scenario 104.01
建模任務
加載例子文件‘246.01_Sinusoidal_Grating_with_Coating.lpd’,例子文件包含一個正弦光柵，使用光柵效率分析器分析光柵。
雙擊General 2D Grating component選擇Struture Function 頁面，打開編輯對話框，添加光柵。
為了在嚴格模擬時添加鍍膜，必須將堆棧作為一個序列的表面和材料添加進來。點擊Stack Tools,選擇Insert Coating。
選擇光學界面no.1作為鍍膜表面。點擊 按鈕來載入膜層目錄。
選擇Light Trans Defined catalogs和Standard-HR catalog,點選Stack01_632.8nm。選擇OK關閉對Edit Coating Tool話框。
堆棧編輯器包含頂層表面的膜層。點擊OK關閉堆棧編輯器。點擊底部的OK按鈕來關閉元件對話框。使用光柵效率分析器分析光柵。
X線偏振光模擬結果：
探測器主窗口中可以看到結果信息，鍍膜后的反射率顯著加強。
在Ideal Plane Wave 光源編輯對話框中改變偏振態為y方向線偏光。這里有兩個預先設置好的例子文件來演示y線偏光。
Y線偏光模擬結果
對于y線偏光同樣鍍膜會顯著增加反射率。
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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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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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]
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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 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
[VirtualLab Fusion ]光柵區域衍射級數和效率的規范
為了耦合，可以在光導的表面上定義光柵區域，并可非常靈活地對這些區域進行配置：區域的形狀、它的通道、光柵的參數和要通過系統跟蹤的光柵階數，以及用于模擬光與光柵相互作用的方法。光柵可由用戶隨意調整。在這個用例中，我們專注于光柵相關方面的配置：選擇要模擬的光柵級次以及其確定效率的不同機制（理想化或嚴格化）。
2.建模任務
3.系統計算
4.區域定義
5.選擇光柵級次和仿真
光柵階定義
理想和真實光柵的效率設置
1.理想光柵效率設置
所有級次的光柵效率設置
2.可編程效率設置
所有級次的光柵效率設置
?效率的可編程選項使用與恒定選項相同的假設（參見前文），以便根據效率值建立矢量行為。
?然而，可編程模式使用戶可以更靈活地分配效率值，該值取決于其他系統參數，如波長、入射平面波方向和其他用戶定義的全局參數。
?編輯按鈕打開源代碼編輯器以輸入相應的代碼片段。它還帶有一個有效性指示器和其他選項卡，例如，可以聲明附加參數（以多種數據格式）以供后續在代碼中使用。
3.實際光柵效率設置
?在對真實光柵運行一次模擬后，關于該光柵如何變換輸入場的計算信息會自動存儲在查找表 (LUT) 中，因此不必重復相同的（可能在數值上成本高昂）模擬。
?如果任何可能影響光柵響應的系統參數被修改（波長、平面波方向），當再次運行模擬時，新信息會添加到 LUT。
?可以保存計算出的查找表，以便以后在采用相同光柵和配置的相同或不同系統中使用
4.真實光柵結構的配置
5.場追跡仿真
6.文檔信息
展開 ZEMAX | 利用RCWA方法模擬表面浮雕光柵的衍射效率
本文介紹了OpticStudio 20.1中添加的兩個動態鏈接庫 ( Dynamic Link Library,DLL ) 文件，兩者都是用來模擬表面浮雕光柵的衍射DLL。這兩個稱為“ rg_step_RCWA.dll ”和“ srg_trapezoid_RCWA.dll ”的DLL建立了階梯光柵和梯形光柵模型。
本文將首先介紹DLL中使用的方法，然后介紹DLL中的參數，最后展示兩個示例。
這些功能只能在OpticStudio的高級訂閱版本中使用。
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簡介
表面浮雕光柵 (SRG) 廣泛應用于各種傳統光學系統，如光譜儀、分束器、三維掃描系統、衍射透鏡和脈沖放大系統等。近年來，表面浮雕光柵在平視顯示器 (HUD) 、增強現實 (AR)、虛擬現實 (VR) 頭戴顯示器 (HMD) 等現代設備中得到廣泛應用。它們能夠以任意角度衍射光線，綜合其波長和角度選擇性，使得光學系統比傳統設計更緊湊、更輕，而傳統設計通常需要使用棱鏡和自由曲面來達到同樣的性能，會導致系統更復雜，體積更龐大。
OpticStudio一直可以模擬光柵，但沒有考慮衍射效率。為了準確地反映衍射光線的衍射效率和偏振態，就必須在模擬時考慮光柵的微觀結構等特性。
本文將討論兩個用來模擬梯形和階梯光柵的DLL。
表面浮雕光柵與體全息光柵
在介紹這個模型之前，先簡要解釋表面浮雕光柵和體全息光柵 (VHG) 之間的區別。這兩種光柵在光學系統中的作用幾乎相同，但在制作和仿真方面卻有很大的不同。
圖1. (a)表面浮雕光柵折射率分布均勻，但表面微觀結構具有周期性。(b)體全息光柵具有周期性變化的折射率分布，但表面光滑。
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