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2021-05-25 10:58 |
衍射级次偏振状态的研究
摘要 ?9b9{c'an mP(3[a_Q 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。 'Ts:. BT$p~XB
L[` l80 概述 yzA05 npTl 1^p/#jt
5\- uo •本文的主题是光在周期性微结构处的衍射后的偏振态。 IP~!E_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。 [|u^:&az •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。 ] $ew 5% j]a$RC#
TOYK'|lwM WeI+|V$ 衍射级次的效率和偏振 v0^9"V:y
mCtS_"W weitDr6 •通常,为了表征光栅的性能,给出了传播级次的效率(η)。 z`y9<+ •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。 {Z.6\G&q •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)。 |m19fg3u •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。 g;IlS*Ld •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。 30Yis_l2h
BG{f)2F\ # kI> 光栅结构参数 8#I>`z^F cw;wv+|k o<2GtF1"o •此处探讨的是矩形光栅结构。 r );R/)& •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。 j jpYg •因此,选择以下光栅参数: <Ox[![SR - 光栅周期:250 nm Rd?}<L - 填充系数:0.5 1C[9}} - 光栅高度:200 nm 2pS<;k` - 材料n1:熔融石英 )n/%P4l - 材料n2:TiO2(来自目录) #%"q0" WKf<%
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od;-D~ K,f:X g!: 偏振状态分析 fSh5u/F! GnV0~? p:,Y6[gMo •使用不同锥形入射角(φ)的TE偏振光照射光栅。 ?5|;3N/zt •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。 yev!Nw •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。 -H1=N E3L?6Qfx>
a(Y'C`x fJ,N.O+9E 产生的极化状态 rvA>khu0/ KuNLu31%
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myx/ |-V"F A#uU]S 其他例子 w$gvgz jA? #!lx_ \lL[08G •为了不同状态之间接收高转换,在Passilly等人的工作中,研究和优化了在亚波长光栅处衍射光的偏振态。 r4.6W[|d •因此他们将模拟结果与制造样品的测量数据进行了比较。 KaIKb=4L| LvG.ocCG
, ,3lH-C AXfU$~ 光栅结构参数 ^5 >e 5<?Ah+1 4Z)4WGp! •在引用的工作中,研究了两种不同的制造光栅结构。 k(Yz2 •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。 *%-<Ldv •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。 lED!}h'4 •当然,如果数据可用,详细分析光栅的复杂形状亦是可能。 n
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;w{<1NH2+. 3F9V,zWtTi 光栅#1 #ydold{F mrGV{ {.
,(jJOFf 01bCP sYTz6- •仅考虑此光栅。 vz^ ] g •假设侧壁表现出线性斜率。 rOIb9: •蚀刻不足的部分基板被忽略了。 tzI|vVT, •为了实现光栅脊的梯形形状,应用了倾斜的光栅介质。 N#w5}It G
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'|*{%<e2 假设光栅参数: G,8mFH •光栅周期:250 nm mY|c7}>V; •光栅高度:660 nm ~$!,-r •填充系数:0.75(底部) [V}vd@*k •侧壁角度:±6° T/$gnn •n1:1.46 xBHf~:! •n2:2.08 l;F"m+B!$ W 4{ T< 光栅#1结果 ZlV vrn4yHoZ SA,~q& •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。 wl=tN{R •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。 ]aN9mT
N •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。 Z'o0::k /E>;O47a
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9 Ql= F`}'^> 光栅#2 cIug~ x> 5-dt0I@<
+h)"m/mE b,~'wm8:A ~z^l~Vyg? •同样,只考虑此光栅。 P0N/bp2Uy •假设光栅有一个矩形的形状。 KFM[caKeJO •蚀刻不足的部分基板被忽略了。 8X;?fjl`" 假设光栅参数: lM-\:Q! •光栅周期:250 nm \Y# •光栅高度:490 nm MmJMx •填充因子:0.5 .0Ud?v>= •n1:1.46 _/[qBe •n2:2.08 ]0i[= + V=<vT 光栅#2结果 ui]iOp vuQA-w7 l|g*E.:4 •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 P{pEd •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。 AArLNXzVW •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。 nC:T0OJv <5Vf3KoC&
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