相位光柵建模的案例
TechWiz 3D應(yīng)用：液晶相位光柵
TechWiz
在光學(xué)設(shè)置中包含透鏡系統(tǒng)液晶相位光柵
建模任務(wù)
液晶光柵利用了液晶折射率等光學(xué)特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產(chǎn)生的相位差及偏轉(zhuǎn)特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學(xué)計算處理、衍射光學(xué)、三維 圖像顯示和光電開關(guān)等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
條件設(shè)置：
邊界條件：周期邊界條件
預(yù)傾角：1°
方位角：90°
液晶參數(shù)：Δε=5 Δn=0.139
光源：λ=633nm 水平線偏振光
器件結(jié)構(gòu)(FFS型)
結(jié)果
不同位置在不同電壓下產(chǎn)生的相位延遲
施加電壓后產(chǎn)生的衍射圖樣
展開 TechWiz 3D應(yīng)用：液晶相位光柵
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TechWiz
在光學(xué)設(shè)置中包含透鏡系統(tǒng)液晶相位光柵
建模任務(wù)
液晶光柵利用了液晶折射率等光學(xué)特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產(chǎn)生的相位差及偏轉(zhuǎn)特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學(xué)計算處理、衍射光學(xué)、三維 圖像顯示和光電開關(guān)等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
條件設(shè)置：
邊界條件：周期邊界條件
預(yù)傾角：1°
方位角：90°
液晶參數(shù)：Δε=5 Δn=0.139
光源：λ=633nm 水平線偏振光
器件結(jié)構(gòu)(FFS型)
結(jié)果
不同位置在不同電壓下產(chǎn)生的相位延遲
施加電壓后產(chǎn)生的衍射圖樣
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矩形組合光柵建模
建模目的：如何將矩形光柵界面和轉(zhuǎn)變點列界面(Transition Point List Inerface)進行組合，以構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)光柵，并進行近場分析和內(nèi)部場分析
工具箱：光柵工具箱
關(guān)鍵詞：矩形光柵界面 轉(zhuǎn)變點列界面 近場分析 內(nèi)部場分析
組合光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)：
圖1：光柵參數(shù)示意圖
使用VirtualLab光柵工具箱進行建模
1) 操作如下圖(1)(2)：解決方案(Solutions)/光柵工具箱(Grating Toolbox)/二維光柵仿真(2D Grating Simulations)/自定義光柵光路流程圖(General Grating Light Path Diagram)，生成光柵光路圖, 如下圖(3)
(1)
(2)
(3)
圖2：使用VirtualLab光柵工具箱進行建模步驟1)示意圖
2) 雙擊 ，進入光柵編輯窗口(Edit General Grating 2D)/結(jié)構(gòu)與功能子窗口(Structure/Function)，確定基板材料和厚度，并選擇堆棧界面。
圖3：使用VirtualLab光柵工具箱進行建模步驟2)示意圖
3) 進入堆棧界面，即堆棧編輯窗口(Edit)，通過添加(Add)按鈕依次添加平面(Plane Interface)，矩形光柵界面(Rectarngular Grating Interface)以及轉(zhuǎn)變點列界面(Transition Point List Interface)以構(gòu)建矩形組合光柵。
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 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 [VirtualLab] 光學(xué)系統(tǒng)中的光柵建模——實例討論
摘要
光柵是當(dāng)前光學(xué)中最常用的衍射光學(xué)元件。如今已常用于復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，與其他組件協(xié)同作用。因此，迫切需要對系統(tǒng)內(nèi)部的光柵進行分析，從而評估系統(tǒng)的性能。我們將通過實例說明如何在VirtualLab Fusion對系統(tǒng)中的光柵建模。并將對光柵的對準(zhǔn)、光柵級次通道設(shè)置以及光柵角度響應(yīng)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(huán)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(tǒng)內(nèi)的光柵建模
?在常規(guī)光學(xué)設(shè)置中，可以將光柵組件插入系統(tǒng)的任何位置。
?這樣可以對系統(tǒng)內(nèi)的光柵進行建模，從而在考慮光柵可能產(chǎn)生的影響的情況下評估系統(tǒng)性能。
兩種建模方法通常可以一起使用，如先優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)本身，然后將其插入系統(tǒng)。
3. 系統(tǒng)中的光柵對準(zhǔn)
? 安裝光柵堆棧
?為了描述系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)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(zhì)設(shè)置。
? 橫向位置
?對系統(tǒng)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(chuàng)建
（1）OptiFDTD提供了一個周期性關(guān)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(guān)系。
（2）OptiFDTD中的VB腳本可以加載/編輯二進制關(guān)系，輕松實現(xiàn)“單元開”或“單元關(guān)”。
時域入射波可以設(shè)置為覆蓋所需波長區(qū)域800nm-1550nm的脈沖。
（1）以下模擬將橫向入射光束設(shè)為高斯場。
（2）但是，光纖模式完全可以得到求解并設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)存使用。
（2）然而，OptiFDTD提供遠場轉(zhuǎn)換工具，當(dāng)用戶定義距離時可以得到遠場圖案。
遠場轉(zhuǎn)換
波長λ=1.0μm，z =1,000μm的遠場
遠場轉(zhuǎn)換
波長λ=0.8μm，z =10,000μm的遠場
展開 OptiFDTD：二進制光柵建模及近場和遠場模擬
布局創(chuàng)建
（1） OptiFDTD提供了一個周期性關(guān)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(guān)系。
（2） OptiFDTD中的VB腳本可以加載/編輯二進制關(guān)系，輕松實現(xiàn)“單元開”或“單元關(guān)”。
時域入射波可以設(shè)置為覆蓋所需波長區(qū)域800nm-1550nm的脈沖。
（1） 以下模擬將橫向入射光束設(shè)為高斯場。
（2） 但是，光纖模式完全可以得到求解并設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)存使用。
（2）然而，OptiFDTD提供遠場轉(zhuǎn)換工具，當(dāng)用戶定義距離時可以得到遠場圖案。
遠場轉(zhuǎn)換
波長λ=1.0μm，z =1,000μm的遠場
遠場轉(zhuǎn)換
波長λ=0.8μm，z =10,000μm的遠場
展開 面向光柵薄膜光學(xué)性能探究的Rsoft建模與仿真
光柵薄膜被廣泛運用于光伏發(fā)電，光學(xué)薄膜和減反射涂層的場景中。不同的光柵尺寸設(shè)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(biāo)模型是周期性光柵結(jié)構(gòu)，一次仿真Dimension選擇2D。
2. 添加模型結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(xù)定義幾何體尺寸。
*注意Rsoft軟件中長度單位默認(rèn)為um。
3. 定義全局變量
在Rsoft中，一種方便確定各數(shù)值大小的方法是定義全局變量，使用全局變量進行數(shù)值大小確定，在依賴性較強的設(shè)置中非常實用。
點擊Edit Symbols，添加變量名稱和數(shù)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(shù)即用period周期值表示，本案中設(shè)為1um。
4. 設(shè)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(shù)為1um，光柵寬為0.5um。
展開 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(yán)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
光學(xué)系統(tǒng)中的光柵建模——實例討論
摘要
光柵是當(dāng)前光學(xué)中最常用的衍射光學(xué)元件。如今已常用于復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，與其他組件協(xié)同作用。因此，迫切需要對系統(tǒng)內(nèi)部的光柵進行分析，從而評估系統(tǒng)的性能。我們將通過實例說明如何在VirtualLab Fusion對系統(tǒng)中的光柵建模。并將對光柵的對準(zhǔn)、光柵級次通道設(shè)置以及光柵角度響應(yīng)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(huán)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(tǒng)內(nèi)的光柵建模
?在常規(guī)光學(xué)設(shè)置中，可以將光柵組件插入系統(tǒng)的任何位置。
?這樣可以對系統(tǒng)內(nèi)的光柵進行建模，從而在考慮光柵可能產(chǎn)生的影響的情況下評估系統(tǒng)性能。
兩種建模方法通常可以一起使用，如先優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)本身，然后將其插入系統(tǒng)。
3. 系統(tǒng)中的光柵對準(zhǔn)
? 安裝光柵堆棧
?為了描述系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)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(zhì)設(shè)置。
? 橫向位置
?對系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(chuàng)建
（1） OptiFDTD提供了一個周期性關(guān)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(guān)系。
（2） OptiFDTD中的VB腳本可以加載/編輯二進制關(guān)系，輕松實現(xiàn)“單元開”或“單元關(guān)”。
時域入射波可以設(shè)置為覆蓋所需波長區(qū)域800nm-1550nm的脈沖。
（1） 以下模擬將橫向入射光束設(shè)為高斯場。
（2） 但是，光纖模式完全可以得到求解并設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)存使用。
（2）然而，OptiFDTD提供遠場轉(zhuǎn)換工具，當(dāng)用戶定義距離時可以得到遠場圖案。
遠場轉(zhuǎn)換
波長λ=1.0μm，z =1,000μm的遠場
遠場轉(zhuǎn)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(tài)法(FMM)的光柵建模
摘要
薄元近似(TEA)是傅里葉光學(xué)中廣泛應(yīng)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(dāng)其更接近于光的波長時，近似變得不準(zhǔn)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(yán)格的)來分析這種具有不同周期的光柵，通過比較結(jié)果，我們研究了兩種方法的表現(xiàn)
建模任務(wù)
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(yán)格的傅里葉模態(tài)法(FMM)和近似，但更快的薄元近似(TEA)之間進行選擇。關(guān)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(tài)
正弦光柵-傳輸相位形態(tài)
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(tài)法(FMM)的光柵建模
摘要
薄元近似(TEA)是傅里葉光學(xué)中廣泛應(yīng)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(dāng)其更接近于光的波長時，近似變得不準(zhǔn)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(yán)格的)來分析這種具有不同周期的光柵，通過比較結(jié)果，我們研究了兩種方法的表現(xiàn)
建模任務(wù)
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(yán)格的傅里葉模態(tài)法(FMM)和近似，但更快的薄元近似(TEA)之間進行選擇。關(guān)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(tài)
正弦光柵-傳輸相位形態(tài)
正弦光柵-衍射效率
正弦光柵-效率vs.
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