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2021-05-06 09:44 |
衍射级次偏振状态的研究
摘要 vNY{j7l/W fue(UMF~ 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。 dA`IEQJL 88gM?G _X
@= Uh',F 概述 H8^(GUhyp kr5">"7 v
~?qz5:K~ •本文的主题是光在周期性微结构处的衍射后的偏振态。 cLJ$M`e •为此,如示意图所示,在示例性二元光栅结构和锥形入射处研究零级反射光。 '!cCMTj •为了在特定示例中讨论该主题,在第二部分中根据Passilly等人的工作(2008年)选择光栅配置和相应参数。 2dcV"lY "f2$w
<8i//HOE S6M}WR^, 衍射级次的效率和偏振 )?naN mh{d8<Q2 :&rt)/I •通常,为了表征光栅的性能,给出了传播级次的效率(η)。 UWJ8amA •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。 B=T'5& •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)。 '$IKtM`L •因此,对于每个衍射级次(𝑛)和偏振态,算法的结果以复数值瑞利系数给出。 F>6|3bOR •特定级次(𝑛)的效率表示入射光的功率与输出衍射级的光功率之间的关系。它是从瑞利系数计算出来的。 cJ
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:0 wY%} 光栅结构参数 m@F`!qY~Y\ bMu+TgAT, 5iw<>9X* •此处探讨的是矩形光栅结构。 @|m/djN5x •为简单起见,选择光栅的配置,仅使反射中的零级次(R0)传播光线。 FP`b>E qOH •因此,选择以下光栅参数: !bx;Ta. - 光栅周期:250 nm kGS;sB - 填充系数:0.5 =tn)}Y.<e - 光栅高度:200 nm Al^d$FaF - 材料n1:熔融石英 t?&|8SId - 材料n2:TiO2(来自目录) 0[#
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,gPS 偏振状态分析 TR`U-= jH, Xp% v.M o#gWbAG;]b •使用不同锥形入射角(φ)的TE偏振光照射光栅。 %y[h5*y* •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。 hJ? O],4J •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。 I@~QV@U ~2N"#b&J
^j7Vt2- }W8;=$jr 产生的极化状态 nYSiS}?S. cn3\kT*
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~?Pw& K2 $dC?Tl|B0 其他例子 9};8?mucr ZzpUUH/r `?@}>. •为了不同状态之间接收高转换,在Passilly等人的工作中,研究和优化了在亚波长光栅处衍射光的偏振态。 ,HV(l+k {| •因此他们将模拟结果与制造样品的测量数据进行了比较。 2(+2+} 'ya{9EdlT
xn(kKB. (gU!=F?#m 光栅结构参数 NB#OCH1/9 g2ixx+`?|: -20bPiM$A •在引用的工作中,研究了两种不同的制造光栅结构。 {9pZ)tB •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。 5d^sA;c •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。 69NeQ$]( •当然,如果数据可用,详细分析光栅的复杂形状亦是可能。 UnV.~ u~
Tv=mgH=b n'LrQU 光栅#1 q:0N<$63 KYI/
!;{7-~ @n /nH?L tw/dD + •仅考虑此光栅。 iHf $ •假设侧壁表现出线性斜率。 k%#EEMh •蚀刻不足的部分基板被忽略了。 `UaD6Mc<Mz •为了实现光栅脊的梯形形状,应用了倾斜的光栅介质。 f~R(D0@ 8/cX]J ;`{H!w[D 假设光栅参数: 7Q9 w?y~c •光栅周期:250 nm 7S:\"A7 •光栅高度:660 nm P3=G1=47U •填充系数:0.75(底部) -@2iaQ(5a2 •侧壁角度:±6° |SSSH
•n1:1.46 JFmC\ •n2:2.08 o5PO=AN Q&tG4f< 光栅#1结果 lrE5^;/s1 JyK3{wYS )2o?#8J •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。 J]'zIOQ •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。 f'RX6$}\1X •与参考相比,光栅结构的简化导致了一些小的偏差。 由于缺少复杂光栅结构的数据,因此简化是必要的。 J*A,o~U| \*?~Yj#
G~a ZJ, ;JT-kw6l5K 光栅#2 u&vf+6=9Dd ,[KD,)3y
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Sgr •同样,只考虑此光栅。 _jVN&\A]mC •假设光栅有一个矩形的形状。 (%6P0* •蚀刻不足的部分基板被忽略了。 %[TR^Th6 假设光栅参数: C{rcs' •光栅周期:250 nm 0#hlsfc]\ •光栅高度:490 nm ;$|nrwhy •填充因子:0.5 9cF[seE"0 •n1:1.46 F)QDJE0 •n2:2.08 IEi^kJflU _TZRVa_ 光栅#2结果 .`eN8Dl1 Btn?N bAqA1y3= •同样,左边的图显示了使用VirtualLab获得的结果,由Passilly等人发表的结果如右图所示。 r l% •相比之下,这两张图再次表现出非常好的匹配,尤其是图的轨迹。 Zu[su>\ •与参考相比,光栅结构的简化以及缺少一些光栅参数会导致一些小的偏差。 ES7s1O$# #c!lS<z
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