衍射光柵技術的案例
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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? 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 Ansys Lumerical | 衍射光柵 （DGTD）
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本文展示的是分析衍射光柵在正常入射時對寬帶平面波的響應的過程。Lumerical 為 DGTD 求解器提供了一套光柵腳本，使計算光柵階數、衍射角和不同波長下的光柵效率等常見結果變得簡單易行。
概述
本例中的衍射光柵是平面上的半橢球體的二維陣列。寬帶（0.85-1μm）平面波通常入射到基板的表面光柵上，導致透射和反射區域產生多個衍射階數。一個名為 gratingprojection 的腳本命令返回光柵的一般表征所需的全部結果列表：
光柵階數數量
每個光柵階數的光柵效率
每個光柵階數的方向余弦（相當于遠場半球中的 theta 和 phi 值）
上述結果作為波長的函數返回，可以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。
運行和結果
1.打開并運行模擬文件 （diffraction_grating_DGTD.ldev）。
2.打開并運行腳本文件 （diffraction_grating_DGTD.lsf）。
光柵階數與波長的關系
下圖顯示了光柵支持的波長透射/反射階數。可以注意到，
光柵在較短的波長下支持更多的衍射階數。
反射顯示的數字光柵階數大于透射。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。這與上述觀察結果一致。
透射和反射都顯示光柵階數在0.9 um處突然變化，低于該值時開始出現新的光柵階數。
展開 OptiFDTD應用：光柵衍射的遠場分布
光柵布局在大多數情況下是周期性結構。OptiFDTD中有兩種實現周期性布局的方法：PBG編輯器和VB腳本。本課將重點介紹以下功能：
?使用VB腳本生成光柵（或周期性）布局。
?光柵布局模擬和后處理分析
布局layout
我們將模擬如圖1所示的二維光柵布局。
圖1.二維光柵布局
用VB腳本定義一個2D光柵布局
步驟：
1通過在文件菜單中選擇“New”，啟動一個新項目。
2在“Wafer Properties”對話框中設置以下參數
Wafer Dimensions：
Length (mm): 8.5
Width (mm): 3.0
2D wafer properties:
Wafer refractive index: Air
3點擊 Profiles 與 Materials.
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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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
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
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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?
創建光柵結構
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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]
展開 [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 [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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? 創建光柵結構
?使用特殊介質配置光柵結構[用戶案例]
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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
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]
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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 ZEMAX | 利用RCWA方法模擬表面浮雕光柵的衍射效率
可以使用衍射光柵(Diffraction Grating)物體或使用DiffractionGrating.dll定義的用戶定義物體 (User Defined Object)，在非序列模式下添加光柵。目前不支持其他衍射物體，因為DLL假設衍射表面在XY平面上。
如果光柵孔徑為圓形，則使用衍射光柵物體。
如果光柵孔徑為矩形，則使用DiffractionGrating.dll定義的用戶定義物體。
如果孔徑是任意形狀的（既不是圓形，也不是矩形），那么可以將原生布爾(Boolean Native)物體或布爾CAD(Boolean CAD)物體與擠壓物體 (Extruded)一起使用。
圖7. 對于圓形光柵，請使用衍射光柵。對于矩形光柵，請使用具有衍射抓射的用戶定義對象.DLL。
然后在物體屬性(Object Properties)中，點擊衍射(Diffraction)，選擇srg_step_RCWA.dll定義階梯光柵，srg_trapezoid_rcwa .dll定義梯形光柵。
反射(Reflect)和透射(Transmit)列中的參數應該總是相同的。
下一節將介紹這些參數。
圖8. 可以通過在物體屬性中設置文中介紹的DLL來進行應用。
光柵的坐標和方向
如圖9所示，光柵位于物體的面1 (Face 1)上。OpticStudio目前只支持一維光柵。假設光柵在Y方向上是均勻分布的，在XZ平面上具有周期性的分布。在光學系統中設置光柵時，應注意光柵的方向。
圖9. 光柵總是在面1上。目前，OpticStudio只支持將光柵應用于兩個物體：衍射光柵和DiffractionGrating.dll定義的用戶定義物體。
展開 Ansys Lumerical | 各向異性材料的衍射光柵
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在本文中，我們將使用RCWA求解器對由各向異性液晶(LC)材料制成的可調諧光柵進行仿真。我們通過調節液晶分子的厚度和取向，可以在特定波長下實現第一級衍射效率達到100%，從而消除零級衍射。
在這個工作流程中，我們將使用Ansys Lumerical構建光柵模型并使用RCWA求解器模擬其響應特性。該光柵由長軸取向在XY平面內的液晶分子構成，這種結構提供了面內各向異性特性。我們需要通過在液晶取向上引入周期性空間變化來設計光柵；然后，將衍射特性導出為Lumerical亞波長模型(LSWM) JSON格式，以便在Zemax中進行系統級仿真建模。
注意：RCWA對面內各向異性的支持需要使用Ansys Lumerical 2024R1.3或更高版本。
概述
本例中的衍射光柵由單層液晶(5CB)構成。我們可以通過在XY平面內對液晶分子長軸的取向施加周期性空間變化來構建光柵結構。通過適當設計具有擺線衍射圖案的光柵，可以消除零級衍射并將光完全分配到第一級衍射。
本文分為以下三個主要步驟：
第1步：設計具有擺線導向圖案(cycloidal director pattern)的光柵
在本節中，我們將介紹如何使用Ansys Lumerical來設置一個液晶單元，其中液晶長軸的取向會隨空間位置發生變化。
第2步：具有面內各向異性的RCWA仿真
使用RCWA求解器來計算不同級次的衍射效率。通過調節厚度參數，我們可以在目標波長處消除零級衍射。
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