基于Rsoft软件的达曼光栅仿真

1、概述

达曼光栅（Dammann grating,DG）是一种典型的二元光学元件（bianry optical elements，BOE），通过二元光学相位变化点的横向位置的调制来实现激光远场多级谱点等强度的光点阵列。

达曼光栅作为一种常用的激光分束器件，可以产生任意排列点阵且光栅均匀性不受入射光波的影响，其具有优均匀性、低损耗、结构紧凑等优良性能，在光互连、光通信、光计算和多重计算成像领域得到了广泛的应用。

RSoft软件的DiffractMOD是一种用于衍射光学元件结构的设计和仿真工具，基于严格耦合波分析（RCWA）算法，包括快速傅里叶分解和广义传输线公式，可以处理复杂的周期性结构，其中包含具有有损或色散材料的介电和金属成分。

2、达曼光栅设计仿真

达曼光栅结构设计可以基于matlab或者mathematica软件进行优化，然后在RSoft软件进行仿真。

2.1、达曼光栅设计

上图为达曼光栅的一个周期结构，进行归一化处理，光栅及其衍射级次能量分布完全由光栅结构中的那些突变点坐标（a,b）所决定。通过优化突变点坐标可以实现特定衍射级次能量的均匀化。

本文以1*14分束比的一维达曼光栅为例，利用mathematica软件进行优化。优化步骤分三步，详细如下所示，

首先，利用mathematica软件编写标量衍射理论，光束经过达曼光栅得到每个衍射级次的能量分布解析式，如上图所示，aa，bb是二元相位突变点坐标，mm是衍射级次，theta是相位大小；

通过计算衍射级次能量可以得到衍射效率和不均匀度，然后利用衍射效率和不均匀度创建一个评价函数；

最后利用mathematica软件求解评价函数的最优解，即可得到很好的达曼光栅结构和衍射能量分布，其能量分布如上所示。

2.2、达曼光栅仿真

首先根据达曼光栅的使用条件设置相关参数，

 

模块：DiffractMOD

激光波长：266nm

光栅介质折射率：1.56

偏振：TE

入射角度：0°

设置好初始环境条件，然后创建达曼光栅结构。上图为RSoft主界面，蓝色三角形为光源处，紫色框为光栅周期范围，需要设置光栅周期的XYZ大小，然后利用红色框内的各种模组在周期内创建达曼光栅结构。

根据优化得来的达曼光栅结构参数，利用各种模组在紫色框内创建相关结构，然后进行仿真可以得到达曼光栅各级次的衍射能量，其不均匀度小于3%。

3、总结

利用RSoft软件的DiffractMOD模块可以很准确的得到衍射光栅各级次的衍射效率。

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