光柵模擬的案例
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 基于Rsoft軟件光纖光柵的仿真模擬
小貼士：上述案例模擬了FBG型光柵的反射光譜，通過調控光柵的結合參數可以得到不同參數結構下的反射光譜，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，結合理論知識并多多動手練習是學好仿真模擬的關鍵方式，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 基于rsoft beamprop模塊的一階光柵模擬分析
就是利用Rsoft軟件中的beamprop模塊進行光纖光柵模擬。
步驟一：進行環境全局變量的設置，具體如下：
圖1 全局變量設置
在該模擬中我們設定入射光的中心波長為1.55微米，背景折射率為空氣。配置相應的全局變量如上圖所示。
步驟二：進行參數設置。由于光柵設置中我們需要明確周期長度以及折射率調制系數等相關參數，因此在symbol中將考慮好的參變量錄入，如下圖2所示
圖3 參變量設置
步驟三：插入特定函數表達式：
光柵函數step(MZ）. 函數形式分別如下圖所示。
圖4 參變量設置
圖5 函數形狀展示
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光譜反射、及透射光譜的運算，計算結果如圖7所示。
圖7光柵在不同溫度下的透射光譜
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡
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 
ZEMAX | 利用RCWA方法模擬表面浮雕光柵的衍射效率
需要使用一種類似于傅里葉模態法（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 ε 和磁導率 μ 都寫入傅里葉級數中， 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，(m, n)是整數。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。該理論假設光柵結構在z方向上是均勻分布的，在X、Y方向上是周期性分布的。如果該結構在Z方向上不是均勻分布，則認為該結構是多個“層”的組合。每一層上的結構在z方向上是均勻分布的，如圖3所示。
圖3. 在RCWA算法中，將微結構分割成許多層，每一層的結構在z方向上是均勻的。
一般而言，對結構的采樣層數越多，模擬結果越準確，但計算速度也越慢。這是準確性和速度之間的平衡。
展開 GLAD應用：體全息光柵模擬
模擬結果
通過將干涉圖樣轉換為相位屏，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。該干涉圖樣對應的強度分布被轉化為相位調制分布。從而用于模擬全息記錄介質中形成的梯度折射率分布。體全息結構一旦形成，就可以在傳輸過程中將一束入射光波逐漸轉換成形成體全息結構的另一束光波。兩束光波之間的能量傳遞轉換效率與體全息結構的厚度密切相關。若厚度很薄，則入射光波轉化為另一束的效率很低，隨著厚度逐漸增加，轉換效率也隨之增加。到某一厚度時轉換效率最大，入射光束完全轉換為另一束。但是隨著厚度的進一步增加，能量又會轉換回到入射光束。
系統描述
1990年,由Barbastathis和Brady提出體全息成像技術，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。與采用常規光學透鏡的成像系統相比，體全息成像技術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斷層切片方式逐片地重構成像，不同的斷層切片對應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)的內部變化，又可以研究散射微粒的空間動態物場分布。特別值得一提的是體全息成像系統還可以獲取光譜信息，即它能夠將物體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年提出全息術后，光學全息術已經被廣泛用于三維光學成像領域。體全息成像技術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。
展開 [TechwizD和TX液晶顯示軟件] TechWiz LCD 3D應用：液晶面板和光柵衍射分析
液晶顯示面板的光柵結構產生了衍射圖樣。根據遠場方程，將衍射光計算為輸出光通過光柵介質的電場之和。
基于極坐標圖和圖像結果文件，對考慮衍射效應的光柵模型的設計有很大的幫助。
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數據 （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. Han, T.-H. Choi, W.-S. Kim, S.-W. Oh, Diffractive liquid crystal device for privacy window with a low operating voltage, J. Inf. Disp. 24 249–254(2023).
（j）衍射效率，衍射圖樣，以及POM圖像 （k）衍射圖像分析
[2] C.-H. Han, S.-W. Oh, A high-haze liquid crystal grating device with asymmetric anchoring energies, Displays 81 102581 (2024).
? 偏振體光柵（PVGs）
（l）ChLC PVGs （m）入射光
展開 [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。 經過兩束干涉光曝光過程之后，可生成一個熔融石英內部的體光柵，并在VirtualLab Fusion中使用嚴格的傅里葉模態方法（FMM）進行模擬。 本案例分析了光柵的光譜和角度的相關反射特性。
任務描述
衍射效率與波長的關系
衍射效率與入射角的關系
文件信息
更多閱覽
- Configuration of Grating Structures by Using Special Media
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。 經過兩束干涉光曝光過程之后，可生成一個熔融石英內部的體光柵，并在VirtualLab Fusion中使用嚴格的傅里葉模態方法（FMM）進行模擬。 本案例分析了光柵的光譜和角度的相關反射特性。
任務描述
衍射效率與波長的關系
衍射效率與入射角的關系
文件信息
更多閱覽
-Configuration of Grating Structures by Using Special Media
基于Rsoft軟件進行長周期光纖光柵模擬
通過光纖光柵模式耦合及透射譜的相關理論知識，LPFG的光譜特性受光柵周期，包層厚度及光柵長度等變量影響。
圖1 LPFG幾何模型
在研究分析光譜特性過程中，相位匹配曲線即諧振波長與光柵周期的關系曲線是不可或缺的環節，本文所建立的LPFG模型均是在Rsoft平臺上操作的，如圖1所示。
上圖中可以詳細全面地觀察到光柵的XYZ各方向的形態。軟件在各參數設置好后如圖2所示其中光纖光柵參數具體設置為：折變量為0.0005，柵區長度為20000，纖芯折射率為1.4681，包層折射率1.4628，纖芯半徑4.15，包層半徑為62.5，環境折射率為1，柵格調制區長度/光柵長度（占空比）為0.5。
圖3中標注的各模式階次,是在Rsoft中Edit Symbols里將free space wavelength改為要查看的模式階次諧振波長，然后在Perform Simulation只仿真該諧振波長，可以查看到對應的階次的模式圖。
展開 OptiFDTD：二進制光柵建模及近場和遠場模擬
（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
Ansys Lumerical | 光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
步驟2:EME-計算光柵的溫度相關透射/反射響應
我們分析了光柵在多個周期內的透射/反射值，模擬區域中只包括光柵的單個周期，但通過使用“周期性”和“波長掃描”特征可以獲得長光柵的寬帶響應。然后，我們掃描溫度，并將傳輸/反射響應導出為S參數，S參數可用于隨后的電路模擬。
布拉格波長與溫度的關系如圖顯示，相對于室溫下的值，其在1.000攝氏度時偏移15.6納米。
還可以得到光柵在給定溫度范圍內的靈敏度。靈敏度定義如下：
考慮到參考文獻中缺乏有關材料的信息，模擬的靈敏度（9.4 pm/℃）與公布的結果(7.2 pm/℃)存在差異。這種差異可能主要來自材料參數的差異，而參考文獻中并未完全提供這些參數。
該腳本還提取與溫度相關的S參數，并將其保存為S參數文件格式（fbg_S_param_T.dat），以便在下一步進行 interconnect 電路模擬。
步驟3：INTERCONNECT-光子電路模擬
使用光學時間調制 S 參數元件將與溫度相關的S參數導入 INTERCONNECT，用于模擬 FBG 溫度傳感器。我們掃描溫度并測量傳感器在不同溫度下的反射光譜。當需要附加 PIC 元件對 FBG 的整體性能的影響時，該電路模型仿真是有用的。
FBG 溫度的電路模擬需要三個要素：
1、光網絡分析儀（ONA），既可作為光源又可作為檢測器。
2、代表 FBG 溫度傳感器的光學時變 S 參數元件。
3、用作溫度控制器并連接到 FBG 溫度傳感器元件的直流電源。
下圖為電路仿真的原理圖設計。按下運行按鈕，模擬將計算溫度傳感器在25°C室溫下的反射光譜。
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，也示范使用現有DLL在非序列模式下展示相同的功能。這些分析對于設計虛擬現實（VR）和增強現實（AR）的頭戴型顯示器（HMD）和抬頭顯示器（HUD）等系統非常重要。
本文解釋了模型中使用的理論和參數，并介紹了5個系統范例。
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
聯系工作人員獲取附件。
轉發本文至朋友圈并截圖可查看如下視頻演示。
簡介
體全息在許多類型的光學系統中很受歡迎，例如：抬頭顯示器（HUD）、增強現實（AR）和虛擬現實（VR）的頭戴式顯示器（HMD）。全息能夠將光線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造更輕、更緊密的光學系統。
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）的區別。這兩種光柵在光學系統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或熱顯影：這就是光柵。光柵上的表面是光滑的，但光柵內部的折射率是正弦調變的。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 Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
03
運行和結果
步驟1:FDE-計算光柵所需的周期和溫度相關有效折射率
我們首先使用FDE求解器獲得目標波長下光柵的有效折射率，并計算光柵的所需周期(Λ)。我們計算高折射率區域和低折射率區域的，并將其的平均值作為設計的起點。
此案例中光纖由n=1.4725/1.4728（L/H）和R=4.8μm的纖芯和n=1.466和R=62μm的包層組成。使用腳本添加 FDE求解器，并在室溫下為光柵中的兩個不同位置（高折射率區域和低折射率區域）運行模擬。有效折射率的平均值用于表示光柵的總折射率，并用于估計所需的光柵周期。本例中所考慮的基模的場分布如下所示。正如預期的那樣，該模式被很好地限制在光纖的核心區域。
步驟2:EME-計算光柵的溫度相關透射/反射響應
我們分析了光柵在多個周期內的透射/反射值，模擬區域中只包括光柵的單個周期，但通過使用“周期性”和“波長掃描”特征可以獲得長光柵的寬帶響應。然后，我們掃描溫度，并將傳輸/反射響應導出為S參數，S參數可用于隨后的電路模擬。
根據上一步計算的周期將自動用于“模型”參數。使用腳本運行EME求解器并計算布拉格光柵的S參數。我們在模擬區域中有兩個單元格，每個單元格代表高折射率區域和低折射率區域。腳本計算給定溫度范圍內的所有S參數。但在這里，我們將主要關注光柵的反射，如下所示。觀察到峰值反射（對應于布拉格波長）約為90%，并且隨著溫度從25℃升高到1.000℃，呈現紅移。
展開 基于optigrating光纖光柵光譜的模擬分析簡明教程
入門五：模擬數據的導出
選中tools-view data即可輕松導出數據到excel表格。
Summary小結：本推文結合一個經典小案例主要向大家介紹了optigrating軟件繪制光柵及分析的過程，同樣地道理我們也可以選擇copuling進行兩根光纖之間模式耦合的分析，并且以此為基礎對光柵偏振模式之間的耦合進行分析研究，相關實際案例請等待下期學習推文哦，歡迎各位萌新們一起動手研究學習！在科研的道路上越戰越勇。
最后，如果你有光學仿真相關需求，歡迎通過微信公眾號聯系我們。
微信公眾號：320科技工作室。
