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。

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

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。

θ(x) = cos(πx/Λ)

其中Λ表示光栅周期。

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：

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。

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。

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