三维（3D）光栅建模教程

本案例将解释如何在VirtualLab中进行三维光栅建模

本案例所使用的工具箱为光栅工具箱

基于堆栈结构进行光栅模拟的光栅工具箱具有两种类型的光栅，分别为二维（2D）光栅和三维（3D）光栅

基于堆栈的光栅元件包含一个基板(base block)，堆栈(stack)则位于基板的边界上，基板为均匀介质，下图为三种类型的堆栈-基板结构

建模步骤如下：

1. 进入VirtualLab软件主窗口，通过解决方案(Solutions)-光栅工具箱(Grating Toolbox)-三维光栅工具箱(3D Grating Toolbox)-一般光栅(General Grating Light Path Diagram)，以创建光路流程图(light path diagram，简称LPD)

2. 双击LPD中的一般三维光栅(General Grating 3D)，进入光栅编辑窗口

3. (1)在结构/功能(Structure/Function)子窗口中将第一个光学界面选择作为堆栈(Use Stack on First Interface)，之后点击“加载(Load)”进入VirtualLab预设堆栈目录； (2)选择体光栅(Volume Grating)；(3)点击“编辑(Edit)”进入堆栈编辑窗口，如下图所示

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4. 在VirtualLab中，堆栈的定义是通过设定两个或两个以上平行光学界面之间填充介质实现的。现在我们演示如何在由两个光学界面定义的堆栈中更换填充介质。 (1)在光栅堆栈编辑窗口，点击“加载(Load)”，进入介质目录； (2)在柱型介质(Pillar Media)中选择铬柱(Chromium Pillars)作为光学界面间的介质

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5. 点击“编辑(Edit)”进入介质界面，确认介质无误后点击“预览  ”， 在预览窗口改变预览范围，以便于清晰展示折射率分布

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6. 将堆栈的两光学界面间距离改为1um，同时改变堆栈周期(Stack Period)，如下图所示

7. 要使用傅里叶模态法(Fourier Modal Method，简称FMM)进行光栅模拟，需要将用于描述光栅的介质折射率分布，即 ，离散化。在VirtualLab中，离散化是通过设置分立的折射率转变点(transition points)实现的。下面调整介质折射率离散化相关的数值设置，进入传播(Propagation)子窗口中，选择高级设置(Advanced Settings)，在转变点离散化(Transition Point Decomposition)下使用默认的精确因子(Accuracy Factor)为1，进行离散化预览(Decomposition Preview)，然后将精确因子调整到3，然后再次进行离散化预览

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PS：通过提高精确因子，增加了取样点数，可以看出光栅结构的分辨率更高，因此可以更精确的模拟光栅结构，但同时也需要耗费更多的计算时间

8. 配置傅里叶模态法（FMM），在传播方法(Propagation Methods)标签下，点击”编辑”(Edit)进入FMM配置窗口，选择衍射级数目(Number of Diffraction Orders)。衍射级数目表示使用FMM方法时所考虑计算的衍射级次总数。

9. 如何选择衍射级数目？新建参数遍历(New Parameter Run)，将衍射级数目设置为变量，逐步增加衍射级数目，使用光栅衍射效率分析器(Grating Efficiency Analyzer)确定要获得真实可信的结果（衍射效率达到收敛时）所需要用到的衍射级数目。操作如下图：

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PS：由反射率和迭代步数之间的曲线图可以看出，当衍射级次数为21时，计算的结果趋于稳定，即结果收敛

10. 调整衍射级数目，进入光栅编辑窗口中的传播(Propagation)子界面，将X和Y方向上的的衍射级数目都改为21

11. 进行近场计算，通过点击Go! ，计算光栅的透射场和反射场

左边为以铬介质构建的三维光栅透射场，右边为反射场

12. 光栅效率计算，双击 ，进入光栅衍射效率分析器（Grating Efficiency Analyzer (3D)），设置如下

13. 将模拟类型改成光栅衍射效率分析器，点击Go，开始进行光栅效率计算

光栅衍射效率分析器计算结果：左边为透射效率，右边为反射效率

三维光栅总的反射效率，透射效率以及吸收率

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