光柵模擬
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2022-03-07
光柵模擬的實例教程
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(guān)鍵詞：嚴格分析，F(xiàn)MM，正弦光柵，鍍膜
所需工具箱子：光柵工具箱
相關(guān)案例：G.001a,Scenario 104.01
建模任務(wù)
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(guān)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(guān)閉堆棧編輯器。點擊底部的OK按鈕來關(guān)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(jié)果：
探測器主窗口中可以看到結(jié)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(tài)為y方向線偏光。這里有兩個預(yù)先設(shè)置好的例子文件來演示y線偏光。
Y線偏光模擬結(jié)果
對于y線偏光同樣鍍膜會顯著增加反射率。
展開 小貼士：上述案例模擬了FBG型光柵的反射光譜，通過調(diào)控光柵的結(jié)合參數(shù)可以得到不同參數(shù)結(jié)構(gòu)下的反射光譜，如果我們想得到例如LPG長周期光柵的透射光譜時，可以采用將周期變長，并在輸出光分析部分選用transimisson進行研究分析，如下圖所示。
結(jié)語：希望通過我的一個簡單案例介紹，讓大家對光柵的模擬分析有了一定的了解認識，結(jié)合理論知識并多多動手練習是學好仿真模擬的關(guān)鍵方式，萌新們加油！
最后，如果有光學的仿真模擬需求，可以通過微信公眾號找到我們喲~
微信公眾號：320科技工作室
展開 就是利用Rsoft軟件中的beamprop模塊進行光纖光柵模擬。
步驟一：進行環(huán)境全局變量的設(shè)置，具體如下：
圖1 全局變量設(shè)置
在該模擬中我們設(shè)定入射光的中心波長為1.55微米，背景折射率為空氣。配置相應(yīng)的全局變量如上圖所示。
步驟二：進行參數(shù)設(shè)置。由于光柵設(shè)置中我們需要明確周期長度以及折射率調(diào)制系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，因此在symbol中將考慮好的參變量錄入，如下圖2所示
圖3 參變量設(shè)置
步驟三：插入特定函數(shù)表達式：
光柵函數(shù)step(MZ）. 函數(shù)形式分別如下圖所示。
圖4 參變量設(shè)置
圖5 函數(shù)形狀展示
步驟四：光柵表面折射率分布圖
圖6光柵表面折射率分布圖
如圖6所示為光柵表面折射率分布，進一步利用運算中的背向反射計算功能可以實現(xiàn)光譜反射、及透射光譜的運算，計算結(jié)果如圖7所示。
圖7光柵在不同溫度下的透射光譜
最后，有相關(guān)需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)
展開 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界面定義的堆棧中更換填充介質(zhì)。
展開 需要使用一種類似于傅里葉模態(tài)法（也稱為RCWA [1]）的算法來模擬SRG。
如圖1(b)所示的VHG是通過在感光乳膠膜上曝光兩束或更多光束來制造的，然后用化學或熱顯影方法處理制成光柵。體全息光柵表面光滑，但其內(nèi)部的折射率呈正弦變化。需要使用高效的Kogelnik理論 [2] 或增強型的嚴格耦合波分析等算法來模擬VHG。
OpticStudio提供了用于模擬SAR和VHG的DLL。本文介紹了用于模擬SRG衍射效率的工具。
用于VHG的工具，參見知識庫文章， 使用Kogelnik方法模擬體全息光柵的衍射效率 。
傅里葉模態(tài)法（嚴格耦合波分析）
讓我們快速回顧一下用于模擬SRG 的DLL中使用的理論。
傅里葉展開式
圖2. 在傅里葉空間展開麥克斯韋方程。將介電常數(shù) ε 和磁導(dǎo)率 μ 都寫入傅里葉級數(shù)中， Λx和 Λy為x和y方向的周期，a和b是每個傅里葉項的系數(shù)，(m, n)是整數(shù)。將電場E和磁場H寫成平面波的組合，其中S和U是每個平面波的強度，k是波矢量。E 、 H 、S 、 U 和 k都是向量，表示 (Ex,Ey,Ez), (Hx,Hy,Hz), (Sx,Sy,Sz), (Ux,Uy,Uz) 和 (kx,ky,kz)。
Concept of layers
層的概念
層是RCWA中的重要概念。該理論假設(shè)光柵結(jié)構(gòu)在z方向上是均勻分布的，在X、Y方向上是周期性分布的。如果該結(jié)構(gòu)在Z方向上不是均勻分布，則認為該結(jié)構(gòu)是多個“層”的組合。每一層上的結(jié)構(gòu)在z方向上是均勻分布的，如圖3所示。
圖3. 在RCWA算法中，將微結(jié)構(gòu)分割成許多層，每一層的結(jié)構(gòu)在z方向上是均勻的。
一般而言，對結(jié)構(gòu)的采樣層數(shù)越多，模擬結(jié)果越準確，但計算速度也越慢。這是準確性和速度之間的平衡。
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光柵模擬的相關(guān)專題、標簽、搜索
光柵模擬的最新內(nèi)容
就是利用Rsoft軟件中的beamprop模塊進行光纖光柵模擬。
步驟一：進行環(huán)境全局變量的設(shè)置，具體如下：
圖1 全局變量設(shè)置
在該模擬中我們設(shè)定入射光的中心波長為1.55微米，背景折射率為空氣。配置相應(yīng)的全局變量如上圖所示。
步驟二：進行參數(shù)設(shè)置。
隨著增強與混合現(xiàn)實(AR&MR)領(lǐng)域新應(yīng)用的發(fā)展，導(dǎo)光系統(tǒng)的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。為了將光從光源引導(dǎo)到預(yù)定的眼箱，采用了分離的1D-1D擴展光瞳的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合了不同類型的表面刻蝕光柵。因此，在AR/MR器件的設(shè)計過程中，關(guān)于效率和均勻性的設(shè)計是主要挑戰(zhàn)之一。在本案例中，我們將演示如何在VirtualLab Fusion中包含真實的光柵結(jié)構(gòu)，從最初的光柵設(shè)計到在光導(dǎo)表面上的應(yīng)用
Zemax仿真模型搭建
團隊在Zemax中構(gòu)建了模擬人眼的成像系統(tǒng)：采用直徑3mm、焦距23mm的理想透鏡模擬人眼光學系統(tǒng)，在光路中加入填充因子（PGS）為0.3的隨機掩模光柵，模擬實際應(yīng)用中隨機掩模光柵對成像的影響。
核心仿真指標：調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）
調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）是評價光學系統(tǒng)成像清晰度的核心指標，反映了系統(tǒng)對不同空間頻率細節(jié)的傳遞能力。
下一步，生成光學設(shè)置，其中可以定義平滑參數(shù)變化：
?
使用真實光柵模擬一維-一維光瞳擴展元件 [用例]
?
如何設(shè)置具有真實光柵結(jié)構(gòu)的波導(dǎo) [用例]
配置光柵區(qū)域的真實光柵結(jié)構(gòu)，這是應(yīng)用光柵參數(shù)連續(xù)或平滑變化之前的必要步驟：
?
波導(dǎo)板布局設(shè)計工具 [用例]
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。
探測器功能：光瞳參數(shù)
探測器功能：光瞳位置
基于中心射線的光瞳位置示例
基于光瞳在網(wǎng)格上的位置的光瞳位置的示例
均勻性檢測器輸出
均勻度檢測器圖輸出
均勻性檢測器輸出示例
文件信息
更多閱覽
-帶有光導(dǎo)元件的“HoloLens 1”型布局的建模
-光導(dǎo)布局設(shè)計工具
-k域布局可視化
-1D-1D擴瞳器和實光柵對光導(dǎo)的模擬
在這種情況下，我們通過函數(shù)定義的方法來模擬光柵。
在我們的光學設(shè)置中，我們使用了一個理想的組件，其中電磁場被乘以僅有相位的傳輸函數(shù)，這可以很容易地進行編程。
一個具有數(shù)百個嚴格光柵評估的基本模擬大約需要7秒。這導(dǎo)致整個圖像的估計總計算時間超過31小時。
通過使用一個由8個多核PC組成的網(wǎng)絡(luò)，提供35個客戶端分布式計算，將模擬時間減少到1小時5分鐘。
基本模擬任務(wù)
基本任務(wù)集合：FOV
使用分布式計算的集合模擬
概述模擬時間
節(jié)省96%的計算時間?。?！
?
狹縫模擬
偏振體光柵(PVGs)模擬也可以用來識別一階反射率。
基于極坐標圖和圖像結(jié)果文件，對考慮衍射效應(yīng)的光柵模型的設(shè)計有很大的幫助。
液晶顯示面板的光柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了衍射圖樣。
偏振體光柵(PVGs)模擬也可以用來識別一階反射率。
? 狹縫模擬
（a）極坐標圖
（b）顏色輪廓
（c）衍射強度
? 液晶相位光柵模擬
（d）TRN數(shù)據(jù) （e）極坐標圖
（f）衍射效率
（g）圖像分析
? 智能窗
（h）液晶指向矢分布和相位差曲線 （i）衍射效率，POM圖像，以及衍射圖樣
[1] C.-H.
