[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。 t% -"h|  
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任务说明 }:5_vH0  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 {u3eel  
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。 8VbHZ9Q  
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： L/2{}l>D  
zh5$$*\  
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。 9ANC,+0p  
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： LaI(  
.T*K4m{b0  
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。 pF)}<<C  
28 h3Ayw4  
光栅结构参数 qTbY'V5A  
研究了一种矩形光栅结构。 f.V
1  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 yv.Y-c=  
根据上述参数选择以下光栅参数： G#V}9l
8Q  
光栅周期：250 nm 'dE G\?v9  
填充因子：0.5 OYcf+p"<\  
光栅高度：200 nm 4)
'8
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材料n_1：熔融石英（来自目录） bjgf8427I  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） TTg>g~t`  
Q.5C
$I  
Mx?{[zT"  
' 0iXx   
偏振态分析 )&G uZ  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 ,@+7(W  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 h@
{U>U7  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 ;>*l?m-S@n  
|aH;@V  
]Y#$!fIx
 
ENlqoj1  
模拟光栅的偏振态 ,|gX?[o  
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g~ tG  
7X
3<8:%  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： O34'c_ fZ  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 %w <59d6  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 {}Y QB'}  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 @\[UZVmBw  
D-)jmz>R  
Passilly等人更深入的光栅案例。 :e-&,K  
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。 .@0i,7S  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 Dq/ _#&S  
K`!q1g`  
x:TBZh?@$  
R} nY8zE  
光栅结构参数 [@Hv,  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 /0(2PVf y  
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。 ]h0Fv-[A  
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。 K&(}5`H0=  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 I
Y@)  
&KfRZ`9H  
$y!k)"k  
光栅#1——参数 JTcK\t8  
假设侧壁倾斜为线性。 >G`=8Ku  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 6d~[My  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 S>~QuCMY  
光栅周期：250 nm 7 4rmxjiN  
光栅高度：660 nm 8Z;wF  
填充因子：0.75（底部） vkmTd4g  
侧壁角度：±6° %G9:M;|'  
n_1：1.46 q2VQS1R`8  
n_2：2.08 ien >Ou  
n7~!klF-  
<UJgl{-  
6l|pTyb1  
光栅#1——结果
(5@9j  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 sY?pp '}a  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 6x\+j  
h,Y MR3:X  
   'U<-w$!f+^  
YQ>P{I%J  
光栅#2——参数 9wLV\>i  
假设光栅为矩形。 {Y{*(5YV  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 HjTK/x'_'L  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 Y$3H$F.+  
光栅周期：250 nm <wwcPe}  
光栅高度：490 nm RYMOLX84  
填充因子：0.5 \XR%pC  
n_1：1.46 9NwA5TP9_  
n_2：2.08 ]}Hcb)'j@  
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E?|"?R,,,  
ehO@3%z30c  
光栅#2——结果 (;=:QjaoZ  
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。 kzCD>m  
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。 u/FnA-L4  
   {t: ZMUV  
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