[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

光栅结构广泛应用于各种光学应用场景，如光谱仪、近眼显示系统、脉冲整形等。快速物理光学软件VirtualLab Fusion通过使用傅里叶模态方法(FMM，也称为RCWA)，为任意光栅结构的严格分析提供了通用和方便的工具。为此，复杂的一维或二维周期结构可以使用界面和调制介质进行配置，这允许任何类型的光栅形貌进行自由的配置。在此用例中，详细讨论了衍射级次的偏振态的研究。 vD(;VeW[  
Mk?9`?g.  
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任务说明 5mV'k"Om#"  
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V/8IX  
O~D}&M@/R  
] =D+a&  
简要介绍衍射效率与偏振理论 vL><Y.kOEs  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 QEVjXJOt0  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： :sn}D~  
-{<%Wt9  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 R6!3Y/Q@  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： ~5|a9HV:  
>!$4nxq2>  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 >ko;CQR  
eY-$hnUe  
光栅结构参数 8'YL!moG|  
研究了一种矩形光栅结构。 v|hi;l@7E  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 >8,BC  
根据上述参数选择以下光栅参数： ^8 z*f&g  
光栅周期：250 nm xW09k6   
填充因子：0.5 6(z.(eT  
光栅高度：200 nm u/MIB`@,  
材料n_1：熔融石英（来自目录） Vf:t!'WD?2  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） OS!47Z /q  
>):b AfI  
WgjaMmht  
5E%W;$3Pb  
偏振态分析 a5)+5  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 +EFurdX\  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 vb
%\q sf  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 `wq\K8v  

`R^)<v*  
=?}'\ >G "  
WcdU fv(>  
模拟光栅的偏振态 rF5<x3  
|k^X!C0  
9KP+  
)JjfPb64  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： Lt*H|9  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 !ine|NM  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 KLxg  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 ^c2 8Q.<w(  
3:C *'@  
Passilly等人更深入的光栅案例。 )I*V('R6|  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 %~eZrG.  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 ]M2>%Dvw  
y_'8m9Qy)  
{!,+C0  
R&-bA3w$  
光栅结构参数 2^juLXc|R  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 3(CUC  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 Lrk^<:8;  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 :gR
`rc!  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 0!^{V:DtQ  
{u!,TDt*  
uW[<?sFG  
光栅#1——参数 co;2s-X  
假设侧壁倾斜为线性。 ;eWVc;H  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 5$y<nMP  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 $k!t&G  
光栅周期：250 nm u!F3Rh8D  
光栅高度：660 nm Pukq{/27  
填充因子：0.75（底部） *d%m.:)N  
侧壁角度：±6° Fa;CWyt  
n_1：1.46 & MAIm56~  
n_2：2.08 ?1[go+56X  
;A|6&~E0G  
Z{e5 OJ  
Y H?>2u  
光栅#1——结果 {yJ{DU?%Y  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 I5-/KVWb  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 3GaM>w}>W  
SQEXC*08  
   l lQ<x  
al^ yCoB  
光栅#2——参数 - @  
假设光栅为矩形。 r^]0LJ  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ~#gVs*K  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ]ao]?=q C  
光栅周期：250 nm y<5s)OehG  
光栅高度：490 nm GSMP)8W  
填充因子：0.5 }U8H4B~UtY  
n_1：1.46 ."MBKyg6  
n_2：2.08 QK;A>]  
wD*_S}]  
n0EKNMO  
yvVs9"|0  
光栅#2——结果 Ex~OT  
这两幅图对比之下再次显示出非常好的匹配度，特别是图表的趋势。 "F0,S~tZZ  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 b|4h2iuM  
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