Ansys Lumerical | 各向异性材料的衍射光栅
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在本文中，我们将使用RCWA求解器对由各向异性液晶(LC)材料制成的可调谐光栅进行仿真。我们通过调节液晶分子的厚度和取向，可以在特定波长下实现第一级衍射效率达到100%，从而消除零级衍射。
在这个工作流程中，我们将使用Ansys Lumerical构建光栅模型并使用RCWA求解器模拟其响应特性。该光栅由长轴取向在XY平面内的液晶分子构成，这种结构提供了面内各向异性特性。我们需要通过在液晶取向上引入周期性空间变化来设计光栅；然后，将衍射特性导出为Lumerical亚波长模型(LSWM) JSON格式，以便在Zemax中进行系统级仿真建模。
注意：RCWA对面内各向异性的支持需要使用Ansys Lumerical 2024R1.3或更高版本。
概述
本例中的衍射光栅由单层液晶(5CB)构成。我们可以通过在XY平面内对液晶分子长轴的取向施加周期性空间变化来构建光栅结构。通过适当设计具有摆线衍射图案的光栅，可以消除零级衍射并将光完全分配到第一级衍射。
本文分为以下三个主要步骤：
第1步：设计具有摆线导向图案(cycloidal director pattern)的光栅
在本节中，我们将介绍如何使用Ansys Lumerical来设置一个液晶单元，其中液晶长轴的取向会随空间位置发生变化。
第2步：具有面内各向异性的RCWA仿真
使用RCWA求解器来计算不同级次的衍射效率。通过调节厚度参数，我们可以在目标波长处消除零级衍射。
第3步：将光栅特性导出到Zemax
运行和结果
第1步：设计具有旋轮线导向器图案的光栅
1.首先打开文件lc_grating_RCWA.fsp
2.在对象树(object tree)中右键点击模型并检查设置
· 在变量选项卡中，您可以找到系统的主要参数设置。这些参数包括仿真的波长范围、液晶单元的厚度和材料，以及光栅周期。
· 在脚本选项卡中，您可以查看这些参数是如何用于构建设置的。特别需要注意的是液晶旋转属性的定义，它通过空间变化来实现，其中定义液晶长轴方向的矢量被设置为空间维度X的函数。
在液晶的实际制造过程中，分子的默认取向是由光对准层(photo-alignment layer)确定的。在本次仿真设置中，我们根据摆线图案设置空间变化，使得液晶分子长轴与x轴之间的角度满足以下关系：
θ(x) = cos(πx/Λ)
其中Λ表示光栅周期。如果您想了解更多关于如何用属性定义空间变化的信息，可以联系工作人员获取更通用的工具。
您可以直接在视图中观察液晶图案，其中显示了一个周期的摆线图案（非比例）。整个系统的示意图如下所示：
第2步：具有面内各向异性的RCWA仿真
3.运行脚本lc_grating_RCWA_scrip.lsf
我们将RCWA设置为在0.37µm到0.9µm的光谱范围内进行法向入射计算。该脚本会运行求解器，并针对两种不同厚度（3µm和5µm）提取第一级衍射效率(正负一级相加)。
从结果中我们可以看到，在特定波长（如0.44µm）时，100%的能量被传输到第一级衍射。
第3步：将光栅特性导出到Zemax
4.选择RCWA求解器。在结果选项卡中右键点击'grating_characterization'，选择'Export to JSON'
5.用Zemax打开'lc_grating_RCWA_ray_tracing.zprj'文件
6.对不同波长（498nm和600nm）以及光源的不同偏振状态（线偏振和圆偏振）进行光线追迹，观察这些参数对光栅透射特性的影响
我们使用.json文件来定义'衍射光栅'的衍射特性。光源向光栅发射法向入射光，两个探测器分别捕获反射和透射信号。
通过修改系统的波长，我们可以验证在Lumerical中计算的透射行为是否正确地转移到了光学系统中。在某些波长下（如600nm），零级衍射完全消除；而在其他波长分量下（如498nm），没有能量从零级衍射偏离。
通过使用线性偏振，光栅将光线均匀地分配到+1和-1阶衍射中。通过将偏振设置为圆偏振（Jx=Jy=1，并且X相位或Y相位设置为90度），所有能量将被引导到单一的衍射阶次（对于左圆偏振或右圆偏振分别为+1或-1阶）。
重要模型设置
· RCWA求解器仅支持平面内各向异性。像这种液晶单元的表征，仅当旋转保持在XY平面内时才能进行。
· 如果您要在Zemax中导入 .json 文件，应将其放置在ZemaxDLLDiffractive文件夹中。
使用您的参数更新模型
· 本仿真使用了5CB-Li，此材料常用于向列型液晶。这种所需的材料可以很容易地在模型属性中选择。
· 本仿真结果展示了两种不同厚度的液晶单元的结果。同样，我们可以调整周期以控制衍射角度。
进一步改进模型
在此演示中，我们在两种不同条件下进行了仿真，以突出这些结构的衍射特性。在实际应用中，您可以进行运行优化或进行简单扫描，来自动找到所需波长下液晶单元的最佳厚度。
相关文献
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
