GratingMaster®是用于设计光栅的专业光学软件工具。 设计目标光栅主要是小尺寸,光栅周期在或小于光波长。

GratingMaster®所用的算法是严格耦合波分析(RCWA,Rigorous Coupled Wave Analysis),它是一种通过精确分析周期性结构(如光栅)的电磁波衍射的流行算法。 严格的衍射算法主要应用于具有与光波长相当的特征尺寸的光栅。 RCWA已经成功应用于全息光栅和表面浮雕光栅的分析。

RCWA首先由Moharam和Gaylord为平面光栅制定,然后扩展到表面浮雕光栅和交叉光栅。 在RCWA中,电磁场的矢量性质通过精确求解麦克斯韦方程或矢量波方程而无需任何有意义的近似来考虑。 在光栅介质中的场可以扩展为场在周期性结构中的空间谐波分量。 光栅内的这些空间谐波与光栅外的衍射级相位匹配。 单个空间谐波场并不满足矢量波方程(因此也不满足麦克斯韦方程)。 但所有空间谐波场的总和则满足波动方程。 RCWA根据每个级数的衍射效率给出衍射结果。

与RCWA相比,标量衍射理论 (Scalar diffraction theory)是分析具有较大尺寸的衍射光学元件的另一种理论,将电磁场的矢量特征视为近似的标量场。 标量理论对于各种衍射元件是有效的,尤其在数学计算上效率高,特别是对于大于光波长的特征尺寸方法。

随着微制造加工技术和计算机建模技术的发展,当前DOE的光栅周期或特征尺寸一直在不断下降。 当DOE的特征尺寸小于或等于光波长时,经典标量衍射理论不再有效,不能应用于这些元素的分析和设计。 必须使用严格的电磁衍射模型来准确预测这种DOE的性能。 RCWA 算法严格分析麦克斯韦方程,而无需任意近似。

光栅 Grating / DOE的一般设计程序,分三个阶段,

  1. 分析DOE设计问题
    设计师首先需要了解DOE功能的物理特性,并选择所需的制作工艺。 衍射设计模型的选择与算法复杂度有关,如严格分析或标量理论。 考虑到最小特征尺寸,制造模型需要解决工艺细节。
  2. 将问题的物理理解转化为优化定义
    其次,设计师将设计问题转化为优化问题。 基于确定DOE性能的物理参数,定义了一些设计度量(DOE性能的度量),并将一些光栅几何参数设置为优化的变量。 设计度量可以用物理参数来表示,例如每个光栅级中的衍射效率。
  3. DOE设计实现
    最后进行设计,优化及制作DOE。 在实际应用中可能反复几次上面的步骤。