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Lumerical & Zemax | 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(duì)由各向異性液晶(LC)材料制成的可調(diào)諧光柵進(jìn)行仿真。我們通過(guò)調(diào)節(jié)液晶分子的厚度和取向,可以在特定波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)第一級(jí)衍射效率達(dá)到100%,從而消除零級(jí)衍射。
在這個(gè)工作流程中,我們將使用Ansys Lumerical構(gòu)建光柵模型并使用RCWA求解器模擬其響應(yīng)特性。該光柵由長(zhǎng)軸取向在XY平面內(nèi)的液晶分子構(gòu)成,這種結(jié)構(gòu)提供了面內(nèi)各向異性特性。我們需要通過(guò)在液晶取向上引入周期性空間變化來(lái)設(shè)計(jì)光柵;然后,將衍射特性導(dǎo)出為L(zhǎng)umerical亞波長(zhǎng)模型(LSWM) JSON格式,以便在Zemax中進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真建模。
注意:RCWA對(duì)面內(nèi)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(gòu)成。我們可以通過(guò)在XY平面內(nèi)對(duì)液晶分子長(zhǎng)軸的取向施加周期性空間變化來(lái)構(gòu)建光柵結(jié)構(gòu)。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)具有擺線(xiàn)衍射圖案的光柵,可以消除零級(jí)衍射并將光完全分配到第一級(jí)衍射。
本文分為以下三個(gè)主要步驟:
第1步:設(shè)計(jì)具有擺線(xiàn)導(dǎo)向圖案(cycloidal director pattern)的光柵?
在本節(jié)中,我們將介紹如何使用Ansys Lumerical來(lái)設(shè)置一個(gè)液晶單元,其中液晶長(zhǎng)軸的取向會(huì)隨空間位置發(fā)生變化。
第2步:具有面內(nèi)各向異性的RCWA仿真?
使用RCWA求解器來(lái)計(jì)算不同級(jí)次的衍射效率。通過(guò)調(diào)節(jié)厚度參數(shù),我們可以在目標(biāo)波長(zhǎng)處消除零級(jí)衍射。
第3步:將光柵特性導(dǎo)出到Zemax
運(yùn)行和結(jié)果?
第1步:設(shè)計(jì)具有旋輪線(xiàn)導(dǎo)向器圖案的光柵
1.首先打開(kāi)文件lc_grating_RCWA.fsp
2.在對(duì)象樹(shù)(object tree)中右鍵點(diǎn)擊模型并檢查設(shè)置?
在變量選項(xiàng)卡中,您可以找到系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置。這些參數(shù)包括仿真的波長(zhǎng)范圍、液晶單元的厚度和材料,以及光柵周期。
在腳本選項(xiàng)卡中,您可以查看這些參數(shù)是如何用于構(gòu)建設(shè)置的。特別需要注意的是液晶旋轉(zhuǎn)屬性的定義,它通過(guò)空間變化來(lái)實(shí)現(xiàn),其中定義液晶長(zhǎng)軸方向的矢量被設(shè)置為空間維度X的函數(shù)。
θ(x) = cos(πx/Λ)
其中Λ表示光柵周期。
您可以直接在視圖中觀察液晶圖案,其中顯示了一個(gè)周期的擺線(xiàn)圖案(非比例)。整個(gè)系統(tǒng)的示意圖如下所示:
第2步:具有面內(nèi)各向異性的RCWA仿真
3.運(yùn)行腳本lc_grating_RCWA_scrip.lsf?
我們將RCWA設(shè)置為在0.37μm到0.9μm的光譜范圍內(nèi)進(jìn)行法向入射計(jì)算。該腳本會(huì)運(yùn)行求解器,并針對(duì)兩種不同厚度(3μm和5μm)提取第一級(jí)衍射效率(正負(fù)一級(jí)相加)。

從結(jié)果中我們可以看到,在特定波長(zhǎng)(如0.44μm)時(shí),100%的能量被傳輸?shù)降谝患?jí)衍射。
第3步:將光柵特性導(dǎo)出到Zemax
4.選擇RCWA求解器。在結(jié)果選項(xiàng)卡中右鍵點(diǎn)擊'grating_characterization',選擇'Export to JSON'
5.用Zemax打開(kāi) 'lc_grating_RCWA_ray_tracing.zprj'文件
6.對(duì)不同波長(zhǎng)(498nm和600nm)以及光源的不同偏振狀態(tài)(線(xiàn)偏振和圓偏振)進(jìn)行光線(xiàn)追跡,觀察這些參數(shù)對(duì)光柵透射特性的影響
我們使用.json文件來(lái)定義'衍射光柵'的衍射特性。光源向光柵發(fā)射法向入射光,兩個(gè)探測(cè)器分別捕獲反射和透射信號(hào)。
通過(guò)修改系統(tǒng)的波長(zhǎng),我們可以驗(yàn)證在Lumerical中計(jì)算的透射行為是否正確地轉(zhuǎn)移到了光學(xué)系統(tǒng)中。在某些波長(zhǎng)下(如600nm),零級(jí)衍射完全消除;而在其他波長(zhǎng)分量下(如498nm),沒(méi)有能量從零級(jí)衍射偏離。
通過(guò)使用線(xiàn)性偏振,光柵將光線(xiàn)均勻地分配到+1和-1階衍射中。通過(guò)將偏振設(shè)置為圓偏振(Jx=Jy=1,并且X相位或Y相位設(shè)置為90度),所有能量將被引導(dǎo)到單一的衍射階次(對(duì)于左圓偏振或右圓偏振分別為+1或-1階)。
重要模型設(shè)置
RCWA求解器僅支持平面內(nèi)各向異性。像這種液晶單元的表征,僅當(dāng)旋轉(zhuǎn)保持在XY平面內(nèi)時(shí)才能進(jìn)行。
如果您要在Zemax中導(dǎo)入 .json 文件,應(yīng)將其放置在ZemaxDLLDiffractive文件夾中。
使用您的參數(shù)更新模型
本仿真使用了5CB-Li,此材料常用于向列型液晶。這種所需的材料可以很容易地在模型屬性中選擇。
本仿真結(jié)果展示了兩種不同厚度的液晶單元的結(jié)果。同樣,我們可以調(diào)整周期以控制衍射角度。
進(jìn)一步改進(jìn)模型
在此演示中,我們?cè)趦煞N不同條件下進(jìn)行了仿真,以突出這些結(jié)構(gòu)的衍射特性。在實(shí)際應(yīng)用中,您可以進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化或進(jìn)行簡(jiǎn)單掃描,來(lái)自動(dòng)找到所需波長(zhǎng)下液晶單元的最佳厚度。
相關(guān)文獻(xiàn)
Katarzyna A. Rutkowska and Anna Kozanecka-Szmigiel "Design of Tunable Holographic Liquid Crystalline Diffraction Gratings", Sensors 2020, 20(23), 6789? https://doi.org/10.3390/s20236789
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12月 | Ansys Lumerical超表面逆向設(shè)計(jì) |
地點(diǎn) | 時(shí)間 |
2025年4月17-18日 | |
武漢站 | |
廣州/深圳站 | |
北京站 |
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