Topologieoptimierung von geblitzten Gittern bei konischer Inzidenz

Eine Topologieoptimierungsmethode wird vorgestellt und auf ein geblitztes Beugungsgitter in Reflexion bei konischer Inzidenz angewendet. Diese Art von Gitter ist dazu bestimmt, das einfallende Licht auf eine bestimmte Beugungsordnung zu zerstreuen, und diese Eigenschaft ist grundlegend in der Spektroskopie. Conventionell besteht ein geblitztes metallisches Gitter aus einem sägezahnförmigen Profil, das für die ±1. Beugungsordnung in Reflexion ausgelegt ist. In diesem Papier hinterfragen wir dieses intuitive dreieckige Muster und suchen nach optimalen opto-geometrischen Eigenschaften durch Topologieoptimierung, die auf der Finite-Elemente-Modellierung von Maxwells Gleichungen basiert. In praktischen Kontexten ist die Gittergeometrie mono-periodisch, wird jedoch von einer 3D-EBene Welle mit einem Wellenvektor außerhalb der Invarianz-Ebene beleuchtet. Folglich befasst sich diese Studie mit der Lösung von direkten und inversen Problemen unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode in diesem Übergangszustand zwischen 2D und 3D: der sogenannten konischen Inzidenz. Ein Mehrwellenlängen-Objektiv wird verwendet, um einen breiten geblitzten Effekt zu erzielen. Schließlich werden mehrere numerische Experimente detailliert beschrieben. Unsere numerischen Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, eine Beugungseffizienz von 98 % bei der -1. Beugungsordnung zu erreichen, wenn die Optimierung bei einer einzigen Wellenlänge durchgeführt wird, und dass die Reflexion, die über den Wellenlängenbereich von 400 bis 1500 nm integriert wird, absolut 29 % höher, relativ 56 % höher sein kann als die des sägezahnförmigen geblitzten Gitters, wenn ein Mehrwellenlängen-Optimierungskriterium verwendet wird (von 52 % auf 81 %).