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衍射级次偏振状态的研究
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infotek
2021-05-06 09:44
衍射级次偏振状态的研究
摘要
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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。
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概述
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•本文的主题是光在周期性微结构处的衍射后的偏振态。
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•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。
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•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。
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衍射级次的效率和偏振
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•通常,为了表征光栅的性能,给出了传播级次的效率(η)。
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•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。
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•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)。
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•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。
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•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。
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光栅结构参数
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•此处探讨的是矩形光栅结构。
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•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。
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•因此,选择以下光栅参数:
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- 光栅周期:250 nm
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- 填充系数:0.5
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- 光栅高度:200 nm
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- 材料n1:熔融石英
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- 材料n2:TiO2(来自目录)
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偏振状态分析
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•使用不同锥形入射角(φ)的TE偏振光照射光栅。
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•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。
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•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。
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产生的极化状态
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其他例子
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•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。
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•因此他们将模拟结果与制造样品的测量数据进行了比较。
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光栅结构参数
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•在引用的工作中,研究了两种不同的制造光栅结构。
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•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。
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•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。
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•当然,如果数据可用,详细分析光栅的复杂形状亦是可能。
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光栅#1
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•仅考虑此光栅。
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•假设侧壁表现出线性斜率。
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•蚀刻不足的部分基板被忽略了。
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•为了实现光栅脊的梯形形状,应用了倾斜的光栅介质。
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假设光栅参数:
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•光栅周期:250 nm
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•光栅高度:660 nm
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•填充系数:0.75(底部)
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•侧壁角度:±6°
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•n1:1.46
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•n2:2.08
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光栅#1结果
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•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。
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