偏振入射下刻蚀光栅微结构的标量衍射理论与有效介质理论的适用性

"这篇研究论文探讨了标量衍射理论（Scalar Diffraction Theory, SDT）和有效介质理论（Effective Medium Theory, EMT）在分析斜入射角下的槽型光栅微结构时的适用性。通过对两种简化方法计算出的衍射效率与傅里叶模态方法（Fourier Modal Method, FMM）得出的精确结果进行比较，定量证明了这些理论的准确程度。" 在光学工程领域，光栅是一种重要的光学元件，它能够将入射光分解成不同波长或角度的光束。本文重点研究的是槽型光栅，特别是当光线以非正常角度（即斜入射）照射到光栅时的情况。在这种情况下，光栅的性能分析变得复杂，因为光的传播和衍射行为受到入射角的影响。 标量衍射理论是一种简化模型，它假设光波是单向传播的，并且忽略了偏振效应。尽管SDT在某些条件下可以提供近似的解决方案，但其准确度在斜入射时可能受到挑战。论文通过对比SDT和FMM的结果，发现当光栅周期与入射光波长的比值超过五倍（对于正常入射）或十倍以上（对于较大入射角）时，SDT可以较为有效地分析光栅的透射特性。 另一方面，有效介质理论（EMT）是用来处理多尺度复合材料的理论，它将复杂结构视为单一均匀介质，具有特定的有效折射率。在光栅分析中，EMT可能用于估算平均折射率和吸收率，从而简化计算。然而，论文指出，EMT在某些情况下可能无法完全捕捉到光栅结构的细节，特别是在处理光栅内部的局部效应时。 作者们，来自中国计量大学的光电技术研究所和材料科学与工程学院，对SDT和EMT进行了深入的实验验证和数值模拟。他们发现，尽管这两种理论在某些条件下的表现良好，但在更复杂的光栅设计和更大的入射角下，可能需要更为精确的方法，如FMM，来获得准确的光学性能预测。 这项研究对于理解光栅在斜入射条件下的行为以及选择合适的分析方法具有重要意义。对于光学设计师和工程师来说，它提供了关于何时可以依赖SDT和EMT，以及何时需要采用更复杂模型的指导。同时，这也为未来改进这些理论以适应更广泛的应用场景提供了基础。