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摘要 5Jo'h] o4p5`jOG@ 光栅结构广泛用于光谱仪,近眼显示系统等多种光学系统。VirtualLab Fusion通过应用傅立叶模态法(FMM),以简易的方式提供对任意光栅结构进行严格分析。在光栅工具箱中,可以在堆栈中使用界面或/和介质来配置周期性结构。 用于设置堆栈几何形状的用户界面非常人性化,并且允许生成更复杂的光栅。在该用例中,讨论了由FMM实现衍射级次偏振状态的研究。 W,[ RB 4A@HR RL4|!HzR 概述 Z0Sqw (E0WZ$f} h>!h|Ma •本文的主题是光在周期性微结构处的衍射后的偏振态。 []@@ •为此,如示意图所示,在示例性二元光栅结构和锥形入射处研究零级反射光。 MXaik+2 •为了在特定示例中讨论该主题,在第二部分中根据Passilly等人的工作(2008年)选择光栅配置和相应参数。 e">&B]#} 0x~+=GUN
_'cB<9P
9e`};DE 衍射级次的效率和偏振 9ad)=3A&L 3y.+03
W _UTN4z2aTG •通常,为了表征光栅的性能,给出了传播级次的效率(η)。 x~}&t+FK •该效率值包括该特定级次的所有光的能量,但并不区分最终出现的不同偏振状态。 ^Ak?2,xB#+ •在严格模拟光栅效率的过程中,例如利用傅里叶模态法,通过使用复数场求解均匀介质的波动方程(也称为亥姆霍兹方程)。 uq]=L •因此,对于每个衍射级次(𝑛)和偏振态,算法的结果以复数值瑞利系数给出。 k:?)0Uh%^ •特定级次(𝑛)的效率表示入射光的功率与输出衍射级的光功率之间的关系。它是从瑞利系数计算出来的。 IrYj#,xJ
{H,O@ $Mg O)bH 光栅结构参数 >6Pe~J5,: GjwH C{ c=tbl|Cq •此处探讨的是矩形光栅结构。 +Iuu8t •为简单起见,选择光栅的配置,仅使反射中的零级次(R0)传播光线。 ^!^M Gzu •因此,选择以下光栅参数: vX>{1`e{S - 光栅周期:250 nm ;L fn&2G - 填充系数:0.5 >uZc#Zt - 光栅高度:200 nm vUbgSI - 材料n1:熔融石英 G!VEV3zT - 材料n2:TiO2(来自目录) D6lzcf 8zMGpY# "
l|`LjP5M ep3VJ"^ 偏振状态分析 3.dSS F6~
;f; FUSe!f •使用不同锥形入射角(φ)的TE偏振光照射光栅。 {=?[:5 •如上所述,瑞利系数的平方幅值将提供有关特定级次的偏振状态信息。 |(tl
a_LE •为了得到瑞利系数,请在光栅级次分析器中选中单个级次输出,并选择所需的系数。 <=|^\r
!}& pWE(?d_M{G
=k d-rIBc O6$,J12l 产生的极化状态 y`m0/SOT uDG>m7(}/h
b'^<0c U= GJuixy 5I[:.o0 其他例子 b&E"r*i| eptw)S-j D@X"1X!F`G •为了不同状态之间接收高转换,在Passilly等人的工作中,研究和优化了在亚波长光栅处衍射光的偏振态。 9E5*%Hu_ •因此他们将模拟结果与制造样品的测量数据进行了比较。 ._p2"< >P(.yQ8&kL z+oy#p6+F. 19R~&E's 光栅结构参数 ~b*|V q}jh>`d fif'ptK •在引用的工作中,研究了两种不同的制造光栅结构。 7?g({] •由于应用的制造方法引起的,与所需的二元形状相比,结构表现出一些偏差:基板的蚀刻不足和光栅脊的形状偏离。 LsGO~EiJ •由于缺少有关制造结构的细节,因此在VirtualLab中的模拟,我们进行了简化。 `yl|NL •当然,如果数据可用,详细分析光栅的复杂形状亦是可能。 H;a) `R3
21<Sfsc$ SefF Ci%4 光栅#1 -h|[8UG^b g@O?0,+1
rvhMu}. 66B,Krz1n )X *_oH= •仅考虑此光栅。 (oCpQDab@ •假设侧壁表现出线性斜率。 ,*V% •蚀刻不足的部分基板被忽略了。 rUV'DC?eE •为了实现光栅脊的梯形形状,应用了倾斜的光栅介质。 MsIaMW _ k=d_{2 ~ fZap\ 假设光栅参数: &<&eKq •光栅周期:250 nm E rA*a3 •光栅高度:660 nm qMVuBv
•填充系数:0.75(底部) 3&[ d.,/ •侧壁角度:±6° LD WYFOGQ •n1:1.46 FN26f*/ •n2:2.08 Zl#';~9W
`|nJAW3 光栅#1结果 g]MgT-C| WuWOC6^ @QpL*F •左图显示的是使用VirtualLab获得的结果,而Passilly等人发表的结果如右图所示。 R'_F9\ •相比之下,这两张图都表现出非常好的相似性,尤其是图的轨迹。 LCIe1P2 •与参考相比,光栅结构的简化导致了一些小的偏差。 由于缺少复杂光栅结构的数据,因此简化是必要的。 l9%ckC*q asvM/ 9 l:~ >P[ dZkKAK:v 光栅#2 d@ZXCiA}, hE\gXb
'g<FL`iP W>CG;x{ ;&w_.j*Is •同样,只考虑此光栅。 jX$U)O •假设光栅有一个矩形的形状。 KCa @0 •蚀刻不足的部分基板被忽略了。 J8@bPS27q 假设光栅参数: {^:i}4ZRl •光栅周期:250 nm +:C.G[+ •光栅高度:490 nm W+V & |