[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。 3LmBV\["  
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任务说明 |+$j(
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简要介绍衍射效率与偏振理论 !kHyLEV  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 #IL~0t  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： UmP?}Xw6  
NZw[.s>n  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 9cw4tqTm  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： A]~iuUHm  
AIRVvW~($  
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。 y!{/'{?P  
!!D:V`F/d  
光栅结构参数 m?kIa!GM=  
研究了一种矩形光栅结构。 lG[ )8!:+  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 Ig?.*j ]  
根据上述参数选择以下光栅参数： vI:bl~  
光栅周期：250 nm f'zFg["aZS  
填充因子：0.5 E#HU?
<q8  
光栅高度：200 nm 'mY,>#sT  
材料n_1：熔融石英（来自目录） @u'27c_<d3  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） GO:1 Z?^  
83 ^,'Z
 
KSpC%_LC  
NId~|&\  
偏振态分析 MkV*+LXC  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 me}Gb a  
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。 o._#=7|(  
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。 fb=$<0Ocj  
E*!zJ,@8  
kvO`]>#;$?  
Iy1XnS*  
模拟光栅的偏振态 |yl0}.()  
U*+!w@ .  
DGuUI}|)  
F#37Qv  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： yfw>y=/p  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 WUOPYYW<o
 
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 .1?i'8TF  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 aBtfZDCfzp  
YvP"W/5  
Passilly等人更深入的光栅案例。 <T2~xn  
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。 {HJ`%xN|  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 G>{:D'#  
OaCj3d>  
Z-sN4fr a  

Ai_|)  
光栅结构参数 dgqJ=+z 0y  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 #?|1~HC  
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。 `R=_t]ie  
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。 _R<V8g1f  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 2] wf`9ZH  
ZtK%b+MBP  
MUt^mu$86  
光栅#1——参数 wbF1>{/
"  
假设侧壁倾斜为线性。 >D^7v(&  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 [,?A
$Z*Z|  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 j]F3[gpc  
光栅周期：250 nm wk <~Y 3u  
光栅高度：660 nm xbH!:R;  
填充因子：0.75（底部） f!kdcr=/"  
侧壁角度：±6° mt6uW+t/
 
n_1：1.46 c68$pgG  
n_2：2.08 DBrzw+;e3  
snzH}$Ls  
AeQ&V d|  
N*)8L[7_;  
光栅#1——结果 =d4',[O  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 ^0?cyv\>LA  
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。 Ty`=U>K|  
!rmo*-=^=  
   (IQ L`3f%  
H.G^!0j;  
光栅#2——参数 +O:pZz  
假设光栅为矩形。 RuEnr7gi  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 |q b92|?  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 k)t8J\  
光栅周期：250 nm Y%cA2V\#m  
光栅高度：490 nm 0+`*8G)  
填充因子：0.5 <y
aw9k+P  
n_1：1.46 b0CaoSWo  
n_2：2.08 [B;Ek\5W  
aZ0iwMK  
Q2WrB+/  
D7'0o`|  
光栅#2——结果 (dnc7KrM  
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。 'Bn_'w~j{  
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。 =@/^1.`  
   a_MnQ@  
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