光柵建模與仿真的案例
面向光柵薄膜光學性能探究的Rsoft建模與仿真
光柵薄膜被廣泛運用于光伏發電，光學薄膜和減反射涂層的場景中。不同的光柵尺寸設置可以達到不同的減反射效果。本案利用Rsoft軟件介紹光柵薄膜的建模與仿真。
1. 新建仿真模塊
Simulation tool選擇DiffractionMOD，即衍射模塊求解工具。由于目標模型是周期性光柵結構，一次仿真Dimension選擇2D。
2. 添加模型結構幾何體
點擊segment后在需要建立的位置畫出該幾何體的大致樣子，主要是確定幾何體的兩個端位置。
右擊生成的幾何體，具體編輯其尺寸和材料屬性。在模塊尚未引入任何材料的前提下，需要添加接下來使用的材料。點擊Materials控件，進入編輯材料。
本模型中光柵基底為Si材料，光柵為InP材料，因此需要在材料庫中查詢半導體材料。雙擊semiconductor后展開材料庫，依次點擊選擇InP和Si后，點擊右方Use Material，將兩種材料引入模型。
在幾何體上依次編輯材料下拉框選擇屬性。
材料屬性定義完成后繼續定義幾何體尺寸。
*注意Rsoft軟件中長度單位默認為um。
3. 定義全局變量
在Rsoft中，一種方便確定各數值大小的方法是定義全局變量，使用全局變量進行數值大小確定，在依賴性較強的設置中非常實用。
點擊Edit Symbols，添加變量名稱和數值。
點擊New symbol后編輯變量名稱name和表達式。這里需要定義光柵常數即用period周期值表示，本案中設為1um。
4. 設定光柵和基底的寬度
同樣分別右擊光柵和基底，在Component Width中輸入該式。注意本案中光柵常數為1um，光柵寬為0.5um。
展開 光 · 學堂 | VirtualLab Fusion微納光學設計|光柵與超表面建模及仿真（深圳場）2026/5/28-5/29
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。隨著制作工藝的不斷提升，光柵的尺寸也越做越小。相應地，光柵分析必須使用基于矢量電磁場原理的方法。本課程使用光之數字模型平臺VirtualLab Fusion，介紹如何使用傅里葉模態法對光柵進行嚴格精確的仿真。課程涵蓋的光柵示例既有表面型光柵，也有全息型體光柵，例如傾斜光柵、閃耀光柵、用于光學超透鏡的Nanopillar結構等。此外還會介紹超表面的設計和參數優化和大角度超光柵仿真。該課程無需軟件基礎。
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
基于堆棧結構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，下圖為三種類型的堆棧-基板結構
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)在結構/功能(Structure/Function)子窗口中將第一個光學界面選擇作為堆棧(Use Stack on First Interface)，之后點擊“加載(Load)”進入VirtualLab預設堆棧目錄； (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定兩個或兩個以上平行光學界面之間填充介質實現的。現在我們演示如何在由兩個光學界面定義的堆棧中更換填充介質。
展開 [VirtualLab] 閃耀超穎光柵的建模與設計
摘要
超穎光柵(metagratings)通常由納米柱組成。因其具有不同的應用而越來越受到人們的關注。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，利用方形納米柱構造了閃耀超穎光柵，并演示了在VirtualLab Fusion中對超穎光柵的優化。
特別地，我們在仿真中評估了偏振相關效率。
建模任務
如何設計具有優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)/構件，以及
-在一個光柵周期內排列并優化它們的位置？
光柵參數和設計方法遵循P. Lalanne, et al., Opt. Lett. 23, 1081-1083 (1998)
單元格分析（折射率一致）
首先，我們設定周期性復制相同的方柱，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，我們設定周期性復制相同的方柱，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 
VirtualLab矩形組合光柵建模
(3)Ex 振幅分布 (4)Ez振幅分布
圖15：使用VirtualLab光柵工具箱進行建模步驟14)示意圖
總結：
1) 使用光柵工具箱的矩形界面和轉變點列界面可以構建不同結構的組合光柵
2) 使用傅里葉模態法(FMM)和薄元近似法(TEA)可以針對不同特征尺寸的光柵結構進行模擬仿真
3) 使用光柵工具箱中的光柵衍射效率分析器可以進行各級次的效率分析
4) 使用光柵工具箱中的元件內部場分析器可以獲得光柵內部場的分布。
展開 閃耀超穎光柵的建模與設計
摘要
超穎光柵(metagratings)通常由納米柱組成。因其具有不同的應用而越來越受到人們的關注。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，利用方形納米柱構造了閃耀超穎光柵，并演示了在VirtualLab Fusion中對超穎光柵的優化。
特別地，我們在仿真中評估了偏振相關效率。
建模任務
如何設計具有優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)/構件，以及
-在一個光柵周期內排列并優化它們的位置？
光柵參數和設計方法遵循P. Lalanne, et al., Opt. Lett. 23, 1081-1083 (1998)
單元格分析（折射率一致）
首先，我們設定周期性復制相同的方柱，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，我們設定周期性復制相同的方柱，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 [VirtualLab] 光學系統中的光柵建模——實例討論
摘要
光柵是當前光學中最常用的衍射光學元件。如今已常用于復雜光學系統，與其他組件協同作用。因此，迫切需要對系統內部的光柵進行分析，從而評估系統的性能。我們將通過實例說明如何在VirtualLab Fusion對系統中的光柵建模。并將對光柵的對準、光柵級次通道設置以及光柵角度響應等問題進行討論。
2. VirtualLab Fusion中的光柵建模——概述
? 單光柵分析
?通過主窗口“光柵”菜單，可以進入僅針對光柵的特殊評估環境。
?它有助于分析和可視化光柵的衍射特性，例如衍射角度和效率。
? 系統內的光柵建模
?在常規光學設置中，可以將光柵組件插入系統的任何位置。
?這樣可以對系統內的光柵進行建模，從而在考慮光柵可能產生的影響的情況下評估系統性能。
兩種建模方法通常可以一起使用，如先優化光柵結構本身，然后將其插入系統。
3. 系統中的光柵對準
? 安裝光柵堆棧
?為了描述系統內的光柵，光柵堆棧始終固定在參考表面上（僅平面）。
?參考面在3D系統視圖中可視化，并有助于對齊光柵。
? 堆棧方向
?可以在參考表面的正面或背面安裝光柵堆棧
? 安裝光柵堆棧
- 為了描述系統內的光柵，光柵堆棧始終固定在參考表面上（僅平面）。
- 參考面在3D系統視圖中可視化，并有助于對齊光柵。
? 堆棧方向
- 可以在參考表面的正面或背面安裝光柵堆棧。
- 更改此選項時，必須注意嵌入介質設置。
? 橫向位置
?對系統中的一般場與光柵的相互作用進行建模時，必須考慮光柵的橫向位置。
展開 OptiFDTD：二進制光柵建模及近場和遠場模擬
布局創建
（1）OptiFDTD提供了一個周期性關系編輯器。它允許我們定義具有不同單元屬性的不同周期關系。
（2）OptiFDTD中的VB腳本可以加載/編輯二進制關系，輕松實現“單元開”或“單元關”。
時域入射波可以設置為覆蓋所需波長區域800nm-1550nm的脈沖。
（1）以下模擬將橫向入射光束設為高斯場。
（2）但是，光纖模式完全可以得到求解并設置為OptiFDTD的橫向入射光束。
檢測采樣波長的傳輸光束（對于圖案1）
傳輸功率譜
遠場轉換
（1）FDTD主要進行近場模擬，更長距離的模擬要求更多CPU時間和內存使用。
（2）然而，OptiFDTD提供遠場轉換工具，當用戶定義距離時可以得到遠場圖案。
遠場轉換
波長λ=1.0μm，z =1,000μm的遠場
遠場轉換
波長λ=0.8μm，z =10,000μm的遠場
展開 光學系統中的光柵建模——實例討論
摘要
光柵是當前光學中最常用的衍射光學元件。如今已常用于復雜光學系統，與其他組件協同作用。因此，迫切需要對系統內部的光柵進行分析，從而評估系統的性能。我們將通過實例說明如何在VirtualLab Fusion對系統中的光柵建模。并將對光柵的對準、光柵級次通道設置以及光柵角度響應等問題進行討論。
2. VirtualLab Fusion中的光柵建模——概述
? 單光柵分析
?通過主窗口“光柵”菜單，可以進入僅針對光柵的特殊評估環境。
?它有助于分析和可視化光柵的衍射特性，例如衍射角度和效率。
? 系統內的光柵建模
?在常規光學設置中，可以將光柵組件插入系統的任何位置。
?這樣可以對系統內的光柵進行建模，從而在考慮光柵可能產生的影響的情況下評估系統性能。
兩種建模方法通常可以一起使用，如先優化光柵結構本身，然后將其插入系統。
3. 系統中的光柵對準
? 安裝光柵堆棧
?為了描述系統內的光柵，光柵堆棧始終固定在參考表面上（僅平面）。
?參考面在3D系統視圖中可視化，并有助于對齊光柵。
? 堆棧方向
?可以在參考表面的正面或背面安裝光柵堆棧
? 安裝光柵堆棧
- 為了描述系統內的光柵，光柵堆棧始終固定在參考表面上（僅平面）。
- 參考面在3D系統視圖中可視化，并有助于對齊光柵。
? 堆棧方向- 可以在參考表面的正面或背面安裝光柵堆棧。
- 更改此選項時，必須注意嵌入介質設置。
? 橫向位置
?對系統中的一般場與光柵的相互作用進行建模時，必須考慮光柵的橫向位置。
?例如，激光束（緊密地）聚焦在線性光柵的帶狀結構或者氣隙上，效果可能會大不相同。
展開 OptiFDTD：二進制光柵建模及近場和遠場模擬
布局創建
（1） OptiFDTD提供了一個周期性關系編輯器。它允許我們定義具有不同單元屬性的不同周期關系。
（2） OptiFDTD中的VB腳本可以加載/編輯二進制關系，輕松實現“單元開”或“單元關”。
時域入射波可以設置為覆蓋所需波長區域800nm-1550nm的脈沖。
（1） 以下模擬將橫向入射光束設為高斯場。
（2） 但是，光纖模式完全可以得到求解并設置為OptiFDTD的橫向入射光束。
檢測采樣波長的傳輸光束（對于圖案1）
傳輸功率譜
遠場轉換
（1）FDTD主要進行近場模擬，更長距離的模擬要求更多CPU時間和內存使用。
（2）然而，OptiFDTD提供遠場轉換工具，當用戶定義距離時可以得到遠場圖案。
遠場轉換
波長λ=1.0μm，z =1,000μm的遠場
遠場轉換
波長λ=0.8μm，z =10,000μm的遠場
展開 VirtualLab Fusion 對全息體光柵的精確建模
成像系統＞內置光柵
任務/系統描述
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
結果：反射的波長依賴性
結果：反射的角度依賴性
文件&技術信息
OptiFDTD：二進制光柵建模及近場和遠場模擬
布局創建
（1） OptiFDTD提供了一個周期性關系編輯器。它允許我們定義具有不同單元屬性的不同周期關系。
（2） OptiFDTD中的VB腳本可以加載/編輯二進制關系，輕松實現“單元開”或“單元關”。
時域入射波可以設置為覆蓋所需波長區域800nm-1550nm的脈沖。
（1） 以下模擬將橫向入射光束設為高斯場。
（2） 但是，光纖模式完全可以得到求解并設置為OptiFDTD的橫向入射光束。
檢測采樣波長的傳輸光束（對于圖案1）
傳輸功率譜
遠場轉換
（1）FDTD主要進行近場模擬，更長距離的模擬要求更多CPU時間和內存使用。
（2）然而，OptiFDTD提供遠場轉換工具，當用戶定義距離時可以得到遠場圖案。
遠場轉換
波長λ=1.0μm，z =1,000μm的遠場
遠場轉換
波長λ=0.8μm，z =10,000μm的遠場
展開 VirtualLab：薄元近似(TEA)與傅里葉模態法(FMM)的光柵建模
摘要
薄元近似(TEA)是傅里葉光學中廣泛應用的計算光柵衍射效率的方法。然而，我們也知道，對于較小的光柵周期，也就是當其更接近于光的波長時，近似變得不準確。在本例中，選擇了兩種類型的傳輸光柵來展示這種效果:正弦光柵和閃耀光柵。我們使用TEA和FMM(也稱為RWCA，這是嚴格的)來分析這種具有不同周期的光柵，通過比較結果，我們研究了兩種方法的表現
建模任務
光柵元件
通用光柵組件（General Grating Component）允許用戶在模擬中選擇不同的求解算法。用戶可以在嚴格的傅里葉模態法(FMM)和近似，但更快的薄元近似(TEA)之間進行選擇。關于解算器的更多信息可以在這里找到:
? FMM/RCWA
? Diffractive Lens Component
正弦光柵-效率vs高度(只用TEA)
正弦光柵-傳輸相位形態
正弦光柵-傳輸相位形態
正弦光柵-衍射效率
正弦光柵-效率vs.
展開 VirtualLab：薄元近似(TEA)與傅里葉模態法(FMM)的光柵建模
摘要
薄元近似(TEA)是傅里葉光學中廣泛應用的計算光柵衍射效率的方法。然而，我們也知道，對于較小的光柵周期，也就是當其更接近于光的波長時，近似變得不準確。在本例中，選擇了兩種類型的傳輸光柵來展示這種效果:正弦光柵和閃耀光柵。我們使用TEA和FMM(也稱為RWCA，這是嚴格的)來分析這種具有不同周期的光柵，通過比較結果，我們研究了兩種方法的表現
建模任務
光柵元件
通用光柵組件（General Grating Component）允許用戶在模擬中選擇不同的求解算法。用戶可以在嚴格的傅里葉模態法(FMM)和近似，但更快的薄元近似(TEA)之間進行選擇。關于解算器的更多信息可以在這里找到:
? FMM/RCWA
? Diffractive Lens Component
正弦光柵-效率vs高度(只用TEA)
正弦光柵-傳輸相位形態
正弦光柵-傳輸相位形態
正弦光柵-衍射效率
正弦光柵-效率vs.
展開 薄元近似(TEA)與傅里葉模態法(FMM)的光柵建模
[圖片]
