[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。 p]gT&[iJ  
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任务说明 -4 Ux,9
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简要介绍衍射效率与偏振理论 *I*i>==Z  
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。 MQTdk*L_]  
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： q9*MNHg}  
NC"yDWnO'  
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。 "VUY
h$=[  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： )b4$A:  
4,P bg|  
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。 +}kgQ^  
ql{_%x?  
光栅结构参数 -K%5(Eg  
研究了一种矩形光栅结构。 [
xlIG}e9  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 `wz[='yM  
根据上述参数选择以下光栅参数： 3=.Y,ENM;  
光栅周期：250 nm $95~5]-nh  
填充因子：0.5 g
.DLfwI|  
光栅高度：200 nm 1=VJ&D;  
材料n_1：熔融石英（来自目录） Z|m`7xeCy  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） >)nS2bOE  
'+y_\  
fw-\|fP  
:}}%#/nd  
偏振态分析 J%rP$O$  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 C*kK)6v`  
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。 9";sMB}W*  
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。 qYB~VE03  
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:7.Me;RA  
%5'6Tj  
模拟光栅的偏振态 D{7w!z  
TpfZ>d2  
|`O5Xs1{B  
hvV_xD8|  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： 4vZ4/#(x  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 ;O#g"8  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 |`rJJFA  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 v4vf}.L]  
MN8H;0g-  
Passilly等人更深入的光栅案例。 &Z("D7
.G  
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。 8/%6@Y"Y*  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 1}m3;  
_=f=fcl  
|F$BvCg  

;/O#4]2*  
光栅结构参数 +b$S~0n
 
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 D)b}f`  
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。 ~qVz
)<  
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。 mqtg[~dNc  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 Sr Ca3PA  
U]6&b  
]wn/BG)  
光栅#1——参数 (GKpA}~R  
假设侧壁倾斜为线性。 LO%!Z,}   
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 HM[klH]s=  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 {=:#S+^ER  
光栅周期：250 nm i\?*=\a  
光栅高度：660 nm Yg|lq9gD  
填充因子：0.75（底部） 3\$wdUFr  
侧壁角度：±6° *s4\\Wb=  
n_1：1.46 e)^j+ l  
n_2：2.08 F3U`ueP  
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eA
y^,  
kQ>^->w  
q1VH5'p@  
光栅#1——结果 Bn?V9TEoO  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 Td\o9
 
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。 k\)Cw  
W m&  
   T<b+s#n4  
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光栅#2——参数 TbVn6V'  
假设光栅为矩形。 Z?NW1m()F  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 V\5 L?}  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 =^DLywAh}u  
光栅周期：250 nm ,Ds.x@p  
光栅高度：490 nm "UVFU-Z  
填充因子：0.5 '\q f^?9  
n_1：1.46 \Gp*x\<^Z  
n_2：2.08 {D&9UZ
m  
->{d`-}m'  
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光栅#2——结果 sq/]wzT:  
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。 *>8ce-PV  
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。 U977#MXf  
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