[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。 Fm#`}K_  
H.)Y*zK0.  
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任务说明 =nff;Xu  
MHqk-4Mz  
dMw}4c3E  
I83 _x|$FZ  
简要介绍衍射效率与偏振理论 uc>]-4  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 kxH` c  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： zI.%b7wq  
<N(r-  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 @#QaaR;4  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： fNk0&M  
s9rKXY',:l  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 ){I!orQ  
3C gmZ7[  
光栅结构参数 Ud& '*,  
研究了一种矩形光栅结构。 &V(;zy4(R  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 u
a!43Bp  
根据上述参数选择以下光栅参数：  SH6+'7  
光栅周期：250 nm !nDiAjj  
填充因子：0.5 kyH0J[/n  
光栅高度：200 nm 6o)RsxN eu  
材料n_1：熔融石英（来自目录） 7h#*djef  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） eA_]%7+`  
{!&^VXZIT  
z'01V8e  
U1;&G  
偏振态分析 -, uT8'  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 ZJ8"5RW  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 S| |OSxZ  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 /hS
Em.<  
Vji:,k=3\  
aQ*?L l  
:MihVLF  
模拟光栅的偏振态 }2hU7YWt  
kx,3[qe'S  
%n^ugm0B  
)kEH}P&  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： WBWIHv{j  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 4MrUo9L$s  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 \SN>Yy  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 Z+Cjg#+  
s`en8%  
Passilly等人更深入的光栅案例。 $It3}?>C'  
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。 ^c]c`w  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 ~gdnD4[G  
zF@[S  
H`s[=Y,m  
WP{U9YF2  
光栅结构参数 u'T?e
+=  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 0Ibe~!EiQJ  
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。 b}&.IJ&40j  
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。 Q`!^EyRA:^  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 .@0@Y  
biG :Xn  
i9Eh1A3Y  
光栅#1——参数 ojyP.R  
假设侧壁倾斜为线性。 /r8sL)D+  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 \]0#jI/:  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 t?H sfN  
光栅周期：250 nm d;nk>6<|  
光栅高度：660 nm 3^iVDbAW{  
填充因子：0.75（底部） CfT(a!;Eox  
侧壁角度：±6° -"EPU]q  
n_1：1.46 ftz-l&5  
n_2：2.08 nlZJ
}xZ  
t&i4kS^y  
oB(9{6@N  
U|<>xe*|%  
光栅#1——结果 7x]q>Y8T  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 {v"Y!/ [z  
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。 X%5 `B2Wu  
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   #qARcxbK|  
Z<*"sFpAO  
光栅#2——参数 X]
D:vuB  
假设光栅为矩形。 BMtk/r/  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ~iPXn1  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 CzIs_/  
光栅周期：250 nm  @{Dfro  
光栅高度：490 nm p,tkVedR  
填充因子：0.5 dA^{}zZu  
n_1：1.46 R8 LHwRQ  
n_2：2.08 }:Y)DH%u  
6E2#VT>@/  
c D.;  
+-T|ov<  
光栅#2——结果 nvA7eTO6C  
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。 &Xc=PQ:I  
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。 BC5R$W.e  
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