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(diào)諧光柵進(jìn)行仿真。我們通過調(diào)節(jié)液晶分子的厚度和取向，可以在特定波長下實現(xiàn)第一級衍射效率達(dá)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(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。我們需要通過在液晶取向上引入周期性空間變化來設(shè)計光柵；然后，將衍射特性導(dǎo)出為Lumerical亞波長模型(LSWM) JSON格式，以便在Zemax中進(jìn)行系統(tǒng)級仿真建模。

注意：RCWA對面內(nèi)各向異性的支持需要使用Ansys Lumerical 2024R1.3或更高版本。

本例中的衍射光柵由單層液晶(5CB)構(gòu)成。我們可以通過在XY平面內(nèi)對液晶分子長軸的取向施加周期性空間變化來構(gòu)建光柵結(jié)構(gòu)。通過適當(dāng)設(shè)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(shè)計具有擺線導(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來設(shè)置一個液晶單元，其中液晶長軸的取向會隨空間位置發(fā)生變化。

第2步：具有面內(nèi)各向異性的RCWA仿真?

使用RCWA求解器來計算不同級次的衍射效率。通過調(diào)節(jié)厚度參數(shù)，我們可以在目標(biāo)波長處消除零級衍射。

第3步：將光柵特性導(dǎo)出到Zemax

1.首先打開文件lc_grating_RCWA.fsp

2.在對象樹(object tree)中右鍵點擊模型并檢查設(shè)置?

• 在變量選項卡中，您可以找到系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置。這些參數(shù)包括仿真的波長范圍、液晶單元的厚度和材料，以及光柵周期。

• 在腳本選項卡中，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，它通過空間變化來實現(xiàn)，其中定義液晶長軸方向的矢量被設(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，其中顯示了一個周期的擺線圖案（非比例）。整個系統(tǒng)的示意圖如下所示：

3.運行腳本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)行法向入射計算。該腳本會運行求解器，并針對兩種不同厚度（3μm和5μm）提取第一級衍射效率(正負(fù)一級相加)。

從結(jié)果中我們可以看到，在特定波長（如0.44μm）時，100%的能量被傳輸?shù)降谝患壯苌洹?/p>

4.選擇RCWA求解器。在結(jié)果選項卡中右鍵點擊'grating_characterization'，選擇'Export to JSON'

5.用Zemax打開 'lc_grating_RCWA_ray_tracing.zprj'文件

6.對不同波長（498nm和600nm）以及光源的不同偏振狀態(tài)（線偏振和圓偏振）進(jìn)行光線追跡，觀察這些參數(shù)對光柵透射特性的影響

我們使用.json文件來定義'衍射光柵'的衍射特性。光源向光柵發(fā)射法向入射光，兩個探測器分別捕獲反射和透射信號。

通過修改系統(tǒng)的波長，我們可以驗證在Lumerical中計算的透射行為是否正確地轉(zhuǎn)移到了光學(xué)系統(tǒng)中。在某些波長下（如600nm），零級衍射完全消除；而在其他波長分量下（如498nm），沒有能量從零級衍射偏離。

在此演示中，我們在兩種不同條件下進(jìn)行了仿真，以突出這些結(jié)構(gòu)的衍射特性。在實際應(yīng)用中，您可以進(jìn)行運行優(yōu)化或進(jìn)行簡單掃描，來自動找到所需波長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