[发明专利]一种基于RCWA的偏振体光栅衍射光线追迹仿真系统及方法

权利要求书

1.一种基于RCWA的偏振体光栅衍射光线追迹仿真系统，其特征在于，包括偏振态检测模块、蒙特卡罗追迹模块以及动态链接库接口；其中

所述偏振态检测模块，用于将入射光分解为s波和p波，通过计算s波和p波的相位差，得出入射光线的偏振态，将带有偏振态和入射方向的光线信息传递给蒙特卡罗追迹模块；

所述蒙特卡罗追迹模块，结合基于RCWA的PVG衍射模型，利用蒙特卡罗数值计算方法，计算出各个偏振态和入射方向的光线的衍射特性，构造概率分布区间，在光线追迹过程中产生随机数，根据随机数所在区间决定光线的衍射方向；所述基于RCWA的PVG衍射模型是采用三维各向异性介质的RCWA理论模型，根据不同偏振特性的入射光的衍射特性，按照麦克斯韦方程组和边界条件限制直接求解电磁波的传播分布；

所述动态链接库接口，用于定义所述基于RCWA的PVG衍射模型与光学仿真软件ZEMAX的数据通信接口，将所述基于RCWA的PVG衍射模型嵌入ZEMAX中，利用ZEMAX的光线追迹算法实现偏振体光栅的光线追迹仿真。

2.根据权利要求1所述的一种基于RCWA的偏振体光栅衍射光线追迹仿真系统，其特征在于：所述偏振态检测模块，是根据入射光线的方向和衍射界面法线，得出p波所在的入射平面，以及垂直于入射平面且包含入射光线的s波所在平面，将入射光分解为s波和p波。

3.根据权利要求1所述的一种基于RCWA的偏振体光栅衍射光线追迹仿真系统，其特征在于：所述动态链接库接口，包含任意形状光栅仿真模型的输入输出接口，ZEMAX支持自定义动态链接库，将任意形状光栅仿真模型编写成动态链接库，并通过ZEMAX的自定义衍射模型功能导入ZEMAX，实现在ZEMAX中实现任意形状光栅的光线追迹仿真。

4.一种基于RCWA的偏振体光栅衍射光线追迹方法，其特征在于，该方法利用RCWA分析理论，将各向异性周期性光栅结构展开为傅里叶级数，利用边界条件求解出入射光线的衍射特性，然后结合蒙特卡罗方法对光线追迹算法进行优化，实现偏振体光栅的光线追迹仿真；具体包括如下步骤：

步骤1、偏振态检测：将入射光分解为s波和p波，通过计算s波和p波的相位差，得出入射光线的偏振态；

步骤2、蒙特卡罗追迹：结合基于RCWA的PVG衍射模型，利用蒙特卡罗数值计算方法，计算出各个偏振态和入射方向的光线的衍射特性；构造概率分布区间，在光线追迹过程中产生随机数，根据随机数所在区间决定光线的衍射方向；

步骤3、将步骤1和步骤2的过程编译成动态链接库DLL文件，将DLL文件导入光学仿真软件ZEMAX中，将所述基于RCWA的PVG衍射模型嵌入ZEMAX中，利用ZEMAX的光线追迹算法实现偏振体光栅的光线追迹仿真；

在步骤2中，基于RCWA的PVG衍射模型，利用蒙特卡罗数值计算方法，计算出各个偏振态和入射方向的光线的衍射特性，具体如下：

(1)、假设光栅的介质为各向异性材料，将光栅定义为无限大的周期性变化的平面，在xy平面内，PVG成周期性分布，将PVG的相对介电张量展开为傅里叶级数形式；

(2)、将电磁波做傅里叶级数展开，并结合麦克斯韦方程组推导出入射介质层内和基底层内电磁场的表达式；

(3)、由介电张量级数和电磁场级数推导出耦合波偏微分方程组，把偏微分方程的问题转化为本征模式场的求解问题；

(4)、利用周期性边界条件，在不同区域边界处利用数学方法求解本征模式场的振幅系数，从而求出电场和磁场的表达式，进而求解衍射效率；

在步骤2中，构造概率分布区间，在光线追迹过程中产生随机数，根据随机数所在区间决定光线的衍射方向，其过程如下：

入射光线打到偏振体光栅PVG上以后会产生多个衍射级次，设每个衍射级次的衍射效率分别为：T₀,T₁,…,T_n，则由衍射效率组成的区间范围是：

光束与PVG每作用一次，就需要产生一个随机数R，以上述区间范围作为每一级衍射光线出现的概率分布。