[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。 s%F}4W2s  
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V|GH4DT=  
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任务说明 n,D~ whZx  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 'p<lfT  
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。 "FA&Qm0  
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： KwGk8$ U  
'.Iz*%"  
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。 >i^8K U  
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： ):"Z7~j=  
?+#|h;M8  
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。 ;UuCSfs{  
ct,B0(]  
光栅结构参数 9))E\U
 
研究了一种矩形光栅结构。 \a\-hm  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 iSDE6  
根据上述参数选择以下光栅参数： $="t7C9S  
光栅周期：250 nm fZ8%Z   
填充因子：0.5 lS"g[O+  
光栅高度：200 nm 1>hY!nG h  
材料n_1：熔融石英（来自目录） n0|oV
(0FE  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） Ln6\Iis  
:`('lrq  
DUBEh@  
k?r-%oJ7  
偏振态分析 B \?We\y  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 QTZfe<m0  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 ( R2432R}J  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 cp D=9k!*K  
D7q%rO|F'  
1, 5"sQ$  
)P&>Tc?;z  
模拟光栅的偏振态 \XDc{c]  
`PML4P[  
tA#7Xr+  
:[icd2JCw]  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： j7LuN  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 .Up\ 0|b  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 [[uKakp  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 b4TZnO  
9A|deETa-  
Passilly等人更深入的光栅案例。 50MdZ;R-3  
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。 SvR:tyF  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 7G,{BBB  
{NmpTb  
o1jDQ+  
Fh2$,$ 2  
光栅结构参数 ,
-!h  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 %N((p[\H  
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。 )ro3yq4??  
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。 Fk&W*<}/;  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 bbGSh|u+P  
,&+"|,m  
Kob i!  
光栅#1——参数 +7yirp~`K  
假设侧壁倾斜为线性。 eN*=wOh  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 $raxf80A  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 c?@
WNv  
光栅周期：250 nm LW+a-i  
光栅高度：660 nm syuW>Z8s
  
填充因子：0.75（底部） UNx|+  
侧壁角度：±6° P''5A6#5  
n_1：1.46 FE}!I  
n_2：2.08 z"cF\F  
(~C_zG  
&b!L$@6  
6??
o(ziK$  
光栅#1——结果 PvmmyF  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 T{9pNf-  
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。 ,7` /D  
cJ CKxj  
   +sN'Y/-  
Yd}Jz  
光栅#2——参数 u\L=nCtLby  
假设光栅为矩形。 zDEX `~c  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 pKSn 3-A  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ;3 N0)  
光栅周期：250 nm |I; tBqN{u  
光栅高度：490 nm G9`;Z^<L  
填充因子：0.5 hLs<g!*O  
n_1：1.46 B8XW+U  
n_2：2.08 cr}T ? $\K  
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}]dK26pX  
R`IFKmA EJ  
光栅#2——结果 +XaRwcLC.  
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。 P}YtT3.K  
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。 Y]zy=8q  
   o'oA.'ul  
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