體光柵建模的案例
VirtualLab Fusion 對全息體光柵的精確建模
成像系統(tǒng)＞內(nèi)置光柵
任務(wù)/系統(tǒng)描述
亮點
? 通過模擬一個曝光過程來生成體光柵
? 嚴格分析光柵衍射效率
說明：光源
說明：體光柵
說明：探測器
結(jié)果：反射的波長依賴性
結(jié)果：反射的角度依賴性
文件&技術(shù)信息
OAS 體全息光柵案例來解決
wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p class="ql-align-center">圖1.1.根據(jù)數(shù)據(jù)生成體光柵ZX折射率分布</p><p><br></p><p>光柵波矢的方向取決于入射光的波矢，根據(jù)不同的光波參數(shù)可以調(diào)整體全息光柵對應(yīng)的角度選擇性和波長選擇性。</p><p>在經(jīng)過上述這樣的一個干涉記錄的過程，實際生產(chǎn)中通過曝光，然后進行顯影漂白。軟件中可以直接計算仿真出不同參數(shù)下的體光柵折射率分布，也可以模擬真實的曝光過程，使整體的模型和折射率空間分布更加接近真實的情況。</p><p class="ql-align-center"><br></p><p><br></p><p><strong>體全息光柵分析</strong></p><p>體全息光柵作為關(guān)鍵的一個衍射光學(xué)元件，其性能會直接影響 AR 顯示、光通信等應(yīng)用的最終效果，包括體全息光柵衍射效率測量、角度和波長的選擇性等評估。</p><p>對于上述參數(shù)生成的體全息光柵模型，如圖1.2 所示，其在x方向的周期為507.61nm。軟件中使用波長為640nm (體全息光柵的設(shè)計波長) 的平行光入射到體全息光柵上，通過軟件測量其反射-1級衍射效率，對不同的入射角、波長以及入射光的偏振態(tài)進行相應(yīng)分析，觀察體全息光柵的物理特性。
展開 GLAD應(yīng)用：體全息光柵模擬
模擬結(jié)果
通過將干涉圖樣轉(zhuǎn)換為相位屏，GLAD能夠模擬體全息光柵。在本例中，兩束具有一定夾角的準直光束形成了干涉圖樣。該干涉圖樣對應(yīng)的強度分布被轉(zhuǎn)化為相位調(diào)制分布。從而用于模擬全息記錄介質(zhì)中形成的梯度折射率分布。體全息結(jié)構(gòu)一旦形成，就可以在傳輸過程中將一束入射光波逐漸轉(zhuǎn)換成形成體全息結(jié)構(gòu)的另一束光波。兩束光波之間的能量傳遞轉(zhuǎn)換效率與體全息結(jié)構(gòu)的厚度密切相關(guān)。若厚度很薄，則入射光波轉(zhuǎn)化為另一束的效率很低，隨著厚度逐漸增加，轉(zhuǎn)換效率也隨之增加。到某一厚度時轉(zhuǎn)換效率最大，入射光束完全轉(zhuǎn)換為另一束。但是隨著厚度的進一步增加，能量又會轉(zhuǎn)換回到入射光束。
系統(tǒng)描述
1990年,由Barbastathis和Brady提出體全息成像技術(shù)，采用體全息光柵作為選擇成像元件，對物體進行實時三維成像。與采用常規(guī)光學(xué)透鏡的成像系統(tǒng)相比，體全息成像技術(shù)僅利用一個厚型體全息圖(或稱為體全息光柵透鏡)作為對物場不同深度層進行選擇成像的衍射元件，可以使得三維物場信息按照光學(xué)斷層切片方式逐片地重構(gòu)成像，不同的斷層切片對應(yīng)于三維物空間上軸向的不同位置。因此，采用體全息成像方法既可以研究靜態(tài)物體的高度與外形輪廓的變化，以及半透明物體(具有一定的折射率和吸收系數(shù))的內(nèi)部變化，又可以研究散射微粒的空間動態(tài)物場分布。特別值得一提的是體全息成像系統(tǒng)還可以獲取光譜信息，即它能夠?qū)⑽矬w不同顏色的部分像彩虹一樣分開，因而還可以在像面不同位置處分別獲取待測物體的光譜信息。
自從伽伯1948年提出全息術(shù)后，光學(xué)全息術(shù)已經(jīng)被廣泛用于三維光學(xué)成像領(lǐng)域。體全息成像技術(shù)是采用體全息光柵作為成像元件對物體進行三維成像的技術(shù)。
展開 全息生成的體光柵的嚴格模擬
摘要
全息生成的體光柵厚度遠大于波長，通常在波長和角度附近顯示出窄帶寬。 經(jīng)過兩束干涉光曝光過程之后，可生成一個熔融石英內(nèi)部的體光柵，并在VirtualLab Fusion中使用嚴格的傅里葉模態(tài)方法（FMM）進行模擬。 本案例分析了光柵的光譜和角度的相關(guān)反射特性。
任務(wù)描述
衍射效率與波長的關(guān)系
衍射效率與入射角的關(guān)系
文件信息
更多閱覽
-Configuration of Grating Structures by Using Special Media
[VirtualLab] 全息生成的體光柵的嚴格模擬
摘要
全息生成的體光柵厚度遠大于波長，通常在波長和角度附近顯示出窄帶寬。 經(jīng)過兩束干涉光曝光過程之后，可生成一個熔融石英內(nèi)部的體光柵，并在VirtualLab Fusion中使用嚴格的傅里葉模態(tài)方法（FMM）進行模擬。 本案例分析了光柵的光譜和角度的相關(guān)反射特性。
任務(wù)描述
衍射效率與波長的關(guān)系
衍射效率與入射角的關(guān)系
文件信息
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- Configuration of Grating Structures by Using Special Media
[NEWSLETTER] 用體光柵作角度濾波器
體光柵由于其高光譜靈敏性和角度靈敏度，可以設(shè)計成光譜濾波器或角度濾波器。根據(jù)K.Bang等人的工作，我們在VirtualLab Fusion中構(gòu)造了這樣的體光柵，并分析了它們的角度響應(yīng)。與傳統(tǒng)的采用4-f系統(tǒng)的空間濾波相比，體光柵可以緊湊地集成在復(fù)雜的系統(tǒng)中。作為一個例子，我們用一個體光柵來抑制DOE的高階衍射，并證明了這種抑制效果。
抑制高階衍射的角濾波體光柵
我們構(gòu)造了一個角濾波體光柵，并將其應(yīng)用于一個系統(tǒng)中，以抑制來自分束器DOE不需要的高階衍射。
光學(xué)系統(tǒng)中光柵的建模——實例討論
通過典型的例子，我們解釋了如何在系統(tǒng)中建立光柵模型，并討論了諸如光柵排列、光柵級次選擇和角度響應(yīng)設(shè)置等問題。
For more information send a message to: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com
展開 用體光柵作角度濾波器
體光柵由于其高光譜靈敏性和角度靈敏度，可以設(shè)計成光譜濾波器或角度濾波器。根據(jù)K.Bang等人的工作，我們在VirtualLab Fusion中構(gòu)造了這樣的體光柵，并分析了它們的角度響應(yīng)。與傳統(tǒng)的采用4-f系統(tǒng)的空間濾波相比，體光柵可以緊湊地集成在復(fù)雜的系統(tǒng)中。作為一個例子，我們用一個體光柵來抑制DOE的高階衍射，并證明了這種抑制效果。
抑制高階衍射的角濾波體光柵
我們構(gòu)造了一個角濾波體光柵，并將其應(yīng)用于一個系統(tǒng)中，以抑制來自分束器DOE不需要的高階衍射。
光學(xué)系統(tǒng)中光柵的建模——實例討論
\ 通過典型的例子，我們解釋了如何在系統(tǒng)中建立光柵模型，并討論了諸如光柵排列、光柵級次選擇和角度響應(yīng)設(shè)置等問題。
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展開 [VirtualLab] 用于抑制高衍射級次的角濾波體光柵
摘要
全息體光柵通常是由雙/多光束干涉而制成的，以其波長和角度敏感性而聞名。正因為如此，它們可以被設(shè)計為角度截止濾波器。在本例中，根據(jù)Bang等人的工作，構(gòu)造體光柵，分析它們的角度靈敏度，然后在分束DOE系統(tǒng)中使用其中一個光柵作為角濾波器。仿真中給出了不期望的高衍射級的抑制。
建模任務(wù)
光柵角透射率分析(5°設(shè)計)
光柵角透射率分析(10°設(shè)計)
原始分束DOE系統(tǒng)
體光柵的角濾波效應(yīng)
體光柵的角濾波效應(yīng)
仿真設(shè)置注意事項
? FMM/RCWA仿真設(shè)置
- 在本例中，全息體光柵的折射率僅沿z軸變化，而沒有橫向變化。
- 對于這種情況，在FMM / RCWA計算中無需將電磁場擴展為多個空間頻率分量。
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 使用特殊介質(zhì)構(gòu)建光柵結(jié)構(gòu)
- 用特殊介質(zhì)構(gòu)造光柵結(jié)構(gòu) [用例]
? 體光柵的嚴格分析
- 全息產(chǎn)生體光柵的嚴格仿真 [用例]
? 復(fù)雜系統(tǒng)的光柵建模
- 光學(xué)系統(tǒng)中光柵的建模 – 示例討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
延伸閱讀
- 全息產(chǎn)生體光柵的嚴格仿真
- 光學(xué)系統(tǒng)中光柵的建模 – 示例討論
展開 Ansys Zemax | 利用 Kogelnik 方法模擬體全息光柵的衍射效率
本文介紹了OpticStudio 21.1中新的原生體全息模擬功能，此功能考慮到全息光柵的物理特性，在序列模式下對其進行全面模擬和分析。同時，也示范使用現(xiàn)有DLL在非序列模式下展示相同的功能。這些分析對于設(shè)計虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）的頭戴型顯示器（HMD）和抬頭顯示器（HUD）等系統(tǒng)非常重要。
本文解釋了模型中使用的理論和參數(shù)，并介紹了5個系統(tǒng)范例。
序列模式的體全息在OpticStudio的所有版本上都可以使用，但是衍射效率分析只有訂閱制才能使用。DLL是訂閱制旗艦版本的功能。
下載
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簡介
體全息在許多類型的光學(xué)系統(tǒng)中很受歡迎，例如：抬頭顯示器（HUD）、增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）的頭戴式顯示器（HMD）。全息能夠?qū)⒐饩€衍射到任何所需的角度，其波長和角度的選擇性使其能夠創(chuàng)造更輕、更緊密的光學(xué)系統(tǒng)。
OpticStudio長期以來一直支持理想全息的模擬。然而，為了準確地說明體全息的特性，除了考慮衍射光線的傳播方向外，還必須考慮衍射效率、材料收縮或折射率變化等因素。考慮衍射效率使用戶能夠進行圖像模擬和綜合優(yōu)化等高級分析。
表面浮雕光柵與體全息光柵的比較
在介紹這個模型之前，我們先簡單解釋一下表面浮雕光柵（SRG）和體全息光柵（VHG）的區(qū)別。這兩種光柵在光學(xué)系統(tǒng)中的作用幾乎是一樣的，但在制造和模擬方面卻有很大的不同。
圖 1. （a） 表面浮雕光柵 （b） 體全息光柵
圖1（b）所示的VHG是通過在感光材料薄膜上曝光兩個或多個光束來制造。然后將薄膜進行化學(xué)或熱顯影：這就是光柵。光柵上的表面是光滑的，但光柵內(nèi)部的折射率是正弦調(diào)變的。為了對VHG進行建模，需要使用高效的Kogelnik理論或嚴格耦合波分析（RCWA）等算法。
展開 用于抑制高衍射級次的角濾波體光柵
摘要
全息體光柵通常是由雙/多光束干涉而制成的，以其波長和角度敏感性而聞名。正因為如此，它們可以被設(shè)計為角度截止濾波器。在本例中，根據(jù)Bang等人的工作，構(gòu)造體光柵，分析它們的角度靈敏度，然后在分束DOE系統(tǒng)中使用其中一個光柵作為角濾波器。仿真中給出了不期望的高衍射級的抑制。
建模任務(wù)
光柵角透射率分析(5°設(shè)計)
光柵角透射率分析(10°設(shè)計)
原始分束DOE系統(tǒng)
體光柵的角濾波效應(yīng)
體光柵的角濾波效應(yīng)
仿真設(shè)置注意事項
? FMM/RCWA仿真設(shè)置
- 在本例中，全息體光柵的折射率僅沿z軸變化，而沒有橫向變化。
- 對于這種情況，在FMM / RCWA計算中無需將電磁場擴展為多個空間頻率分量。
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 使用特殊介質(zhì)構(gòu)建光柵結(jié)構(gòu)
- 用特殊介質(zhì)構(gòu)造光柵結(jié)構(gòu) [用例]
? 體光柵的嚴格分析
- 全息產(chǎn)生體光柵的嚴格仿真 [用例]
? 復(fù)雜系統(tǒng)的光柵建模
- 光學(xué)系統(tǒng)中光柵的建模 – 示例討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術(shù)
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延伸閱讀
- 全息產(chǎn)生體光柵的嚴格仿真
- 光學(xué)系統(tǒng)中光柵的建模 – 示例討論
展開 [VirtualLab] 閃耀超穎光柵的建模與設(shè)計
摘要
超穎光柵(metagratings)通常由納米柱組成。因其具有不同的應(yīng)用而越來越受到人們的關(guān)注。它們以在非近軸情況下的高衍射效率和對偏振不敏感而聞名。在這個例子中，我們仿照P.Lalanne等人的工作，利用方形納米柱構(gòu)造了閃耀超穎光柵，并演示了在VirtualLab Fusion中對超穎光柵的優(yōu)化。
特別地，我們在仿真中評估了偏振相關(guān)效率。
建模任務(wù)
如何設(shè)計具有優(yōu)化的第一級次衍射效率的超穎光柵
-選擇合適的單元格(unit cells)/構(gòu)件，以及
-在一個光柵周期內(nèi)排列并優(yōu)化它們的位置？
光柵參數(shù)和設(shè)計方法遵循P. Lalanne, et al., Opt. Lett. 23, 1081-1083 (1998)
單元格分析（折射率一致）
首先，我們設(shè)定周期性復(fù)制相同的方柱，并改變柱直徑（D）。
傳輸振幅/相位與柱直徑（@633nm）
單元格分析（折射率一致）
首先，我們設(shè)定周期性復(fù)制相同的方柱，并改變柱直徑（D）。
選擇單元格（TiO2-玻璃界面）
柱直徑的選擇
實際上，基板是以不同的材料作為柱。這里，我們考慮玻璃基板。
展開 
三維（3D）光柵建模教程
本案例將解釋如何在VirtualLab中進行三維光柵建模
本案例所使用的工具箱為光柵工具箱
基于堆棧結(jié)構(gòu)進行光柵模擬的光柵工具箱具有兩種類型的光柵，分別為二維（2D）光柵和三維（3D）光柵
基于堆棧的光柵元件包含一個基板(base block)，堆棧(stack)則位于基板的邊界上，基板為均勻介質(zhì)，下圖為三種類型的堆棧-基板結(jié)構(gòu)
建模步驟如下：
1. 進入VirtualLab軟件主窗口，通過解決方案(Solutions)-光柵工具箱(Grating Toolbox)-三維光柵工具箱(3D Grating Toolbox)-一般光柵(General Grating Light Path Diagram)，以創(chuàng)建光路流程圖(light path diagram，簡稱LPD)
2. 雙擊LPD中的一般三維光柵(General Grating 3D)，進入光柵編輯窗口
3. (1)在結(jié)構(gòu)/功能(Structure/Function)子窗口中將第一個光學(xué)界面選擇作為堆棧(Use Stack on First Interface)，之后點擊“加載(Load)”進入VirtualLab預(yù)設(shè)堆棧目錄； (2)選擇體光柵(Volume Grating)；(3)點擊“編輯(Edit)”進入堆棧編輯窗口，如下圖所示
(1)
(2)
(3)
4. 在VirtualLab中，堆棧的定義是通過設(shè)定兩個或兩個以上平行光學(xué)界面之間填充介質(zhì)實現(xiàn)的。現(xiàn)在我們演示如何在由兩個光學(xué)界面定義的堆棧中更換填充介質(zhì)。
展開 VirtualLab Fusion應(yīng)用：用于抑制高衍射級次的角濾波體光柵
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。因此，它們可以被設(shè)計成角度截止濾波器。
VirtualLab Fusion應(yīng)用：用于抑制高衍射級次的角濾波體光柵
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 進行仿真，顯示了對不期望的高衍射級次的抑制效果。
建模任務(wù)
volume grating parameters from K. Bang, et al., Opt. Lett. 44, 2133-2136 (2019)
衍射光學(xué)元件 (DOE)
Microstructure Component允許通過先進的TEA（薄單元近似）對衍射結(jié)構(gòu)進行建模。在我們的例子中，分束器DOE是作為采樣插入面給出的。該插入面可以轉(zhuǎn)換為Stack，然后加載到Microstructure Component中。
體全息光柵（VHG）
光柵組件提供專門的體光柵介質(zhì)來模擬VHG:
- 在General Grating Optical Setup中使用General Grating Component來研究 VHG 的特性，如角度依賴性。
展開 基于體全息光學(xué)元件可聚焦光伏光譜分裂系統(tǒng)的光柵-透鏡
圖3.光譜分裂的全息光柵-透鏡CPV幾何結(jié)構(gòu)
3. 建模和原型系統(tǒng)結(jié)果
設(shè)計平面透射光柵使用物理光學(xué)軟件對其進行數(shù)值建模，以獲得AM1.5照明的光譜和角度性能數(shù)據(jù)。然后將光柵數(shù)值模型放入Photon Engineering FRED?Optimum光線追跡軟件中，對整個系統(tǒng)進行建模，并考慮光學(xué)和追跡損耗。類似地，用實驗測試的光柵的衍射效率替代數(shù)值模型。
圖4.在可見光中的一個能隙和在近紅外中的兩個能隙的SSS的模擬。插入記錄顯示追跡誤差分析。
使用高性能PV電池數(shù)據(jù)[3,5,6,13,14]和遵循表達式1至6，具有在可見光（<0.9μm）中一個能隙和在NIR中兩個能隙的結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)1）。另外一個結(jié)構(gòu)是在可見光范圍內(nèi)兩個能隙和在NIR中一個能隙（系統(tǒng)2）。
經(jīng)計算，系統(tǒng)1的總效率為33％。考慮菲涅耳反射、衍射、串擾和CPC（復(fù)合拋物面聚光器）的損耗，轉(zhuǎn)換效率降低到29％。 如果還考慮±1.5°追跡誤差，則會產(chǎn)生額外的1％的損耗。對于系統(tǒng)1，發(fā)現(xiàn)最差情況IoBB為17％。
圖5.太陽的光譜輻照度，累積輻照度（∞能量）已經(jīng)歸一化為1kW / m2。
在圖5（紅色）中檢查累積光譜太陽輻射，約80％的可用太陽能波長范圍低于硅的能隙（>1.1μm）。光譜分裂系統(tǒng)在此波長范圍中IoBB比率大于NIR。通過比較表1中系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的結(jié)果，表明具有較大可見光譜覆蓋的系統(tǒng)的最壞情況IoBB為47％，超過系統(tǒng)1的IoBB的2.5倍。
表1 （左）NIR光譜分裂系統(tǒng)（右）可見光光譜分裂系統(tǒng)分析
若要獲得表1的模擬值，實驗濾波器需要O = 0.55（系統(tǒng)1）和O = 0.76（系統(tǒng)2）的權(quán)重疊值。已經(jīng)獲得具有O = 0.35的原型濾波器（系統(tǒng)2），產(chǎn)生的IoBB > 10％。
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