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2023-05-26 16:08 |
Zemax & Lumerical | 二维光栅出瞳扩展系统优化
简介 [qB=OxH? Pl4d(2
7 本文提出并演示了一种以二维光栅耦出的光瞳扩展(EPE)系统优化和公差分析的仿真方法。 zAewE@N#_ z?xd\x 在这个工作流程中,我们将使用3个软件进行不同的工作 ,以实现优化系统的大目标。首先,我们使用 Lumerical 构建光栅模型并使用 RCWA 进行仿真。其次,我们在 OpticStudio 中构建完整的出瞳扩展系统,并动态链接到 Lumerical 以集成精确的光栅模型。最后,optiSLang 用于通过修改光栅模型来全面控制系统级优化,以实现整个出瞳扩展系统所需的光学性能。 0P 42C{>'w `u-Y 5mY 本篇文章将分为上下两个部分。(联系我们获取文章附件) :|Cf$2k7 Ai;Pht9qi 概述 wlJ1,)n^2 4p.O<f;A8 我们将首先在 Lumerical 和 OpticStudio 中构建仿真系统,它们是动态链接的。 Qw:j2g2H7 U' Cp3> 然后,OpticStudio 通过 Python 节点链接到 optiSLang 进行优化,如图1所示。 uvL|T48 r+Y1m\ [attachment=118097] @Klj!2cv$ 0dW1I|jR 图1 Lumerical 通过动态链接到 OpticStudio,OpticStudio 通过 Python 节点链接到 optiSLang,优化由 optiSLang 控制。 gK /K Z8 7+"X^$ 如图 2 所示,EPE 系统包括两个用于耦入和耦出的光栅。耦出光栅分为几个区,如左侧所示。每个区都将经过优化,以具有不同的光栅形状。右图显示了光在 k 空间中的传播的变化情况。 q2y:bqLWl ?9:\1)] [attachment=118098] ~$B,K] y06 2/$*$ 图 2 光栅布局图以及光线在K空间的传播 rk|6!kry M%/D:0 第 1 步:系统设置 (Lumerical) y3#\mBiw >:=TS"}yS} 打开附件中的 ZAR 文件时,两个光栅文件会被提取到设置的路径中。第一个光栅如图 3 所示,它是耦入光栅中使用的二元光栅。该光栅是固定的,在优化过程中不会改变。 IF=rD-x `*]r.u0 [attachment=118099] Rjf| LPC7Bdjz 图 3 耦入光栅结构为二元光栅。 n2E2V<# \xt!b^d0 第二个 .fsp 文件如图 4 所示,它是一个具有 7 个变量的平行四边形柱体。在优化期间,耦出中的每个区都将使用不同的变量组合集进行优化 。有关优化设置的更多信息将在优化设置部分中进行说明。 S<TfvQ\,"@ 3;A1[E6K [attachment=118100] e042`&9=Ic Nn$$yUkMX 图 4 耦出光栅中的结构为平行四边形支柱。 E]
[DVY [kCn6\_<V 这两个.fsp文件都是用动态链接的形式在 OpticStudio 中用于模拟完整的EPE系统。 x{rt\OT X*T9`]l6 第 2 步:系统设置(OpticStudio) k(MQ:9'| W6pS.} 如图5所示,在该系统中,准直光束入射到耦入光栅上,通过波导传播,并与第二个光栅耦合。眼盒位于第二个光栅的较远部分。优化的目标是优化眼盒接收的均匀性和总功率。 x\*5A,w{c] 7Ny>W(8 [attachment=118101] -Jhf] I
?1E}bv 图 5 初始EPE系统和眼盒辐照度。 (/%}a`2#o =Zj9F1E[i 在附件中有一个 OpticStudio 中建立的整个EPE系统的 zar 文件。如图 6 所示,仅构建了第二个光栅一半的区域。这是因为系统具有对称性。从图 7 可以看出,探测器的参数镜像设置为 1,这意味着在光线追迹期间,将始终对-x和+x部分进行镜像。这样一来,我们可以只用一半的光线获得相同的模拟结果。 n}l Z HV}NT~ [attachment=118102] }5~;jN=k Z1Ms~tch 图 6 OpticStudio 中的 EPE 系统设置。 ?mV[TM{p ~Sh}\&3p [attachment=118103] &rn,[w_F[ RR"#z'zQ 图7 探测器的镜像参数设置为 1,这意味着该探测器在 x 方向上镜像。 >@t]M`#&h vOqT Ld 可以看出, 系统中的所有光栅物体都已使用动态链接 DLL 进行设置,如图 8所示。 0xC!d-VIJ .8"o&%$`V [attachment=118104] .N%$I6w `p!.K9r7 图 8 为 EPE 系统中的光栅加载动态链接 DLL。 Ss8`;> ag3T[}L
z 第3步:优化设置(optiSLang) X3nwA#If1 zIQ\_> 3-1.Python 用于评估系统 kr3ZqMfeI ^!A{ 4NV 附件中包含了一个 python 文件 EPE_2D_for_optiSLang.py,用于将 optiSLang 链接到OpticStudio。使用python代码将 Ansys optiSLang 附带的优化器与求解器Ansys Zemax OpticStudio + Ansys Lumerical 链接非常有用。优势在于可以在每个优化周期中进行数据的预处理跟后处理,灵活性非常高。本章节会对代码结构进行解释。 +Y.As IRpCbTIXK 代码的基本结构首先由 OpticStudio 中的按钮生成,如图 9 所示。 }\1V;T pD){K 图 9 生成 Python 交互式扩展代码的样板。 Q[}mH: w >9|Q,/b0 [attachment=118105] mk[n3oE1 V482V#BP 另外几个模块被导入到样板中。模块 numpy,scipy 用于对来自眼盒的辐照度数据进行后数据处理。模块matplotlib用于在眼盒上绘制和导出辐照度以供以后查看。导入 time 和 random 模块,以便计时器跟踪计算时间。 }+SnY8A=KZ Ngg (<ZN [attachment=118106] z8gp<5= 通过尝试读取变量 OSL_WORKING_DIR,我们可以知道这个 Python 代码是由 optiSLang 调用还是手动调用。当 optiSLang 调用 Python代码时,将创建一些称为环境变量的变量来传递一些 optiSLang 信息。即使这些变量未在 Python 文件中定义,当 optiSLang 调用代码时,它们是可用的。 g
>X!Q b+{yF [attachment=118107] _mcD*V ]+J]}C]\d 在这个 Python 代码中,有32个变量,如 clen1、h2、rot4、w1 和 power,用于优化,需要由 optiSLang 定义。我们会将这些变量设置为 optiSLang 中的参数,在灵敏度分析或优化时,optiSLang将自动改变它们的值。如果我们不是从 optiSLang 直接运行这个 Python 代码,那么这些变量的值将是常量,如下面的代码所示。 '06[@Cw U2G\GU1 X [attachment=118108] ,#s}nJ4 yM>c**9 如图10所示,每个区的光栅参数是通过预设的4个角的数据通过插值来确定的。其中 ν 是 dC、dR、dL、θC、θR、θL 、h ,n 是 1,2,3,4,对应于 4 个角。通过这个公式,每个区上的7个光栅参数可以通过具有一定权重(wn)和非线性值(p)的4个角的参数来控制。 FQ );el'_V :
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