clc;clear all;
%% parameter
c0 = 3e8; % light speed
theta = 0 * pi /180; % incident angle
lamda = 0.5; % wavelength
w = 2 * pi * c0./ lamda; % angle frequency
order = 1;
order_max = order; % diffraction order max
order_min = -order; % diffraction order min
d = 0.5; % thickness of each layer from front to back, [um]
N = length(d); % number of layers
perior = 1; % perior
k0 = 2 * pi ./ lamda;
nrd = 1.5; % Refractive index of the convex parts of the grating
ngr = 1; % Refractive index of the concave parts of the grating
i = order_min:order_max;
%%% e的表达式 e: permittivity of incident e(1) and substrate media e(2)
e(1) = 1; % incident medium permitivity
e(2) = 1.5.^2; % out medium permitivity
kxi = k0 .* (sqrt(e(1)).* sin(theta) - i * (lamda /perior));
% f1 = [0,0];
f = 0.5;
%% grating field permitivity fourier expansion
% e0 = nrd^2 * f + ngr^2 * (1 - f);
% h = 1:order_max - order_min;
% eh = (em - ed) .* sin(pi * h * f)./(pi * h);
% p = order_min - order_max:-1;
% ep = (em - ed) .* sin(pi * h * f)./(pi * h);
for h = 1:length(i)
if i(h) == 0
e_grating(h) = nrd^2 * f + ngr^2 * (1 - f);
else
e_grating(h) = (nrd ^ 2 - ngr ^ 2) * sin(f * pi * i(h))/(i(h) * pi);
end
end
% e_g = [ep e0 eh];
E = zeros(length(i),length(i));
range = max(i) - min(i);
mod = mod(range,2);
if mod == 0
mod = mod + 2;
else
mod = mod + 1;
end
for s = 1:length(i)
for p = 1:length(i)
%下标计算
if s - p > order_max || s - p < order_min
E(s,p) = 0;
else
E(s,p) = e_grating(s-p+((range + mod)/2));
end
end
end
%% wavevector in z direction
if k0 .* sqrt(e(1)) > kxi
kz1 = sqrt(e(1) .* k0.^2 - kxi.^2);
else
kz1 = -1j .*sqrt((kxi).^2 - e(1) .* k0.^2);
end
if k0 .* sqrt(e(1)) > kxi
kz2 = sqrt(e(2) .* k0.^2 - kxi.^2);
else
kz2 = -1j .*sqrt((kxi).^2 - e(2) .* k0.^2);
end
kzz = [kz1;kz2];
%% Eigenvalues and eigenvectors of coupled wave equations
I = eye(order * 2 +1);
Kx = diag(kxi ./ k0);
A = Kx.^2 - E;
[W , Q] = eig(A); %Q:eigenvalue, W:corresponding vector
Qm = sqrt(Q);
V = W * Qm;
%% The amplitude coefficient of propagation under the interface is solved
delta = zeros(2 * order + 1, 1);
delta(1 + order) = 1;
X = zeros(2 * order +1, 2 * order +1);
for x = 1:length(X)
X(x,x) = exp(-k0 .* Qm(x,x) .* d);
end
% Yinc = diag(kz1./k0); %First medium: air (or dielectric)
% Ysub = diag(kz2./k0); %Last medium: substrate
% Yinc = kz1./k0; %First medium: air (or dielectric)
% Ysub = kz2./k0; %Last medium: substrate
Y1 = zeros(2 * order +1, 2 * order +1);
for x = 1:length(Y1)
Y1(x,x) = kz1(x)./k0; % First medium: air (or dielectric)
end
Y2 = zeros(2 * order +1, 2 * order +1);
for x = 1:length(Y2)
Y2(x,x) = kz2(x)./k0; % First medium: air (or dielectric)
end
M_1_1 = 1j * Y1 * W + V;
M_1_2 = (1j * Y1 * W - V) * X;
M_2_1 = (V - 1j * Y2 * W) * X;
M_2_2 = -V - 1j * Y2 * W;
matrix_pro = [M_1_1,M_1_2;M_2_1,M_2_2];
solver_up = [1j * Y1 * delta + 1j * sqrt(e(1)) * cos(theta) * delta];
solver_down = zeros(2*order+1,1);
solver = [solver_up;solver_down];
%[3*3 3*3] [3*3]
% *[C1;C2] =
%[3*3 3*3] [3*3] 求解得到的C为6*1,分别对应-1:1:1的C+和C-
C = inv(matrix_pro) * solver;
%% Normalized amplitudes of class i reflected and transmitted waves
Ti = ( W * X * C(1:2*order+1,1) + W * C(2*order+2:2*(2*order+1),1)) ;
Ri = ( W * C(1:2*order+1,1) + W * X * C(2*order+2:2*(2*order+1),1)) - delta;
%% Diffraction efficiency of grating
series = real((kz1')./(k0.*sqrt(e(1)).*cos(theta)));
DEr = Ri.*conj(Ri).* series;
DEt = Ti.*conj(Ti).*real((kz2')./(k0.*sqrt(e(1)).*cos(theta)));
RR = Ri.*conj(Ri);
R = sum(DEr);
T = sum(DEt);
diffraction_all = sum(DEr + DEt);
%% Normalization is used for lumerical comparison
diffraction_T = abs(DEt) ./sum(abs(DEt));
diffraction_R = abs(DEr) ./sum(abs(DEr));
RR_obj = real((kz1')./(k0.*sqrt(e(1)).*cos(theta)));
% Diff_lumerical_grating_T=[
% 0.284915
% 0.100292
% 0.614792];
%lumerical_grating_R=[0.459171 0.0816573 0.459171]
RCWA计算一维光栅衍射效率
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更新于2023-03-30
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RCWA,全称为 Rigorous Coupled-Wave Analysis(严格耦合波分析),是一种在光子学和光学领域广泛使用的计算方法,特别适用于分析周期性结构的光学性质,如光栅和超材料。在这个主题中,我们将深入探讨RCWA如何被用来计算一维光栅的衍射效率。
让我们理解什么是衍射效率。衍射效率是衡量入射光能量转化为特定衍射级的能量比例。对于一维光栅,光栅结构会将入射光分解为不同的衍射订单,其中每个订单对应于光的特定传播方向。衍射效率是评估光栅性能的关键参数,因为它直接影响到光栅在光学系统中的应用,比如光谱仪、激光器和光学通信设备。
RCWA方法基于波动光学的原理,通过将周期结构分解为无穷多个小单元,并考虑相邻单元之间的相互作用来解决波动方程。这种方法的优势在于可以处理具有复杂几何形状和任意折射率分布的结构,而且能够精确地计算低至零阶的衍射效率。与有限差分时间域(FDTD)或傅里叶变换方法相比,RCWA在计算资源上更为高效,尤其适用于高阶衍射模式的分析。
在描述中提到的`rcwa_rect_angle.m`文件,这很可能是用MATLAB编写的程序,用于执行RCWA计算。MATLAB是一种强大的数值计算工具,适合实现这种复杂的算法。该程序可能包含了设置光栅参数(如周期、填充因子、材料折射率等)、定义计算域、选择要计算的衍射订单、以及执行RCWA迭代求解的步骤。用户通常需要输入入射光的波长、极化状态和入射角,然后程序会输出各衍射订单的效率。
在`基于严格耦合波分析(RCWA)方法的相位光栅衍射特性研究 (1).caj`文件中,可能包含了一篇学术论文或研究报告,详细阐述了RCWA在分析一维相位光栅衍射效率的应用。相位光栅不同于传统的槽型或浮雕光栅,它的光学效应主要由其表面的相位变化而非几何形状造成。这种类型的光栅在光纤通信、光束整形和光学信息处理中有广泛应用。
通过RCWA计算,我们可以得到关于一维光栅的全面信息,包括不同衍射订单的效率随波长的变化、入射角的影响,以及光栅周期和材料参数对衍射效率的敏感度。这些信息对于优化光栅设计、提高光学器件性能至关重要。RCWA提供了一种强有力的工具,使得科学家和工程师能够在理论和实验之间建立紧密的联系,推动光学技术的创新和发展。
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