VirtualLab Fusion：衍射级次偏振状态的研究

摘要

 

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。

 

概述

 

•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。

•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。

衍射级次的效率和偏振

 

•通常，为了表征光栅的性能，给出了传播级次的效率（η）。

•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。

•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）。

•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。
•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。

 

光栅结构参数

 

•此处探讨的是矩形光栅结构。

•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。

•因此，选择以下光栅参数：

- 光栅周期：250 nm

- 填充系数：0.5

- 光栅高度：200 nm

- 材料n1：熔融石英

- 材料n2：TiO2（来自目录）

 

 

偏振状态分析

 

•使用不同锥形入射角（φ）的TE偏振光照射光栅。

•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。

•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。

 

产生的极化状态

 

其他例子

 

•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。

•因此他们将模拟结果与制造样品的测量数据进行了比较。

 

 

光栅结构参数 

 

•在引用的工作中，研究了两种不同的制造光栅结构。

•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。

•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。

•当然，如果数据可用，详细分析光栅的复杂形状亦是可能。

 

光栅＃1

 

•仅考虑此光栅。

•假设侧壁表现出线性斜率。

•蚀刻不足的部分基板被忽略了。

•为了实现光栅脊的梯形形状，应用了倾斜的光栅介质。

 

假设光栅参数：

•光栅周期：250 nm

•光栅高度：660 nm

•填充系数：0.75（底部）

•侧壁角度：±6°

•n1：1.46

•n2：2.08

 

光栅＃1结果

 

•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。

•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。

•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。

 

 

光栅＃2


 

•同样，只考虑此光栅。

•假设光栅有一个矩形的形状。

•蚀刻不足的部分基板被忽略了。

假设光栅参数：

•光栅周期：250 nm

•光栅高度：490 nm

•填充因子：0.5

•n1：1.46

•n2：2.08

 

光栅＃2结果
 

•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。

•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。

•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。