[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。 U!rhj&n  
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任务说明 M
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简要介绍衍射效率与偏振理论 -Q6njt&  
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。 G{,X_MZ%  
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： -^i[  
>8$]g  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 x4&<Vr  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： 9%i|_c}  
,U\F<$O  
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。 <g SZt\  
]chfa  
光栅结构参数 Sl,\<a  
研究了一种矩形光栅结构。 kf3 u',}R  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 5E|y5|8fb  
根据上述参数选择以下光栅参数： n2NxO0  
光栅周期：250 nm o(=\FNe  
填充因子：0.5 \>b :  
光栅高度：200 nm yHY \4OHS  
材料n_1：熔融石英（来自目录） hmfO\gc}y  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） ~(( '1+  
g%P6f  
^W&qTSjh  
O$=[m9
V  
偏振态分析 X,)`< >=O  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 n]?KDID;  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 jea{BhdUr  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 lr>P/W\  
8.9Z0  
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模拟光栅的偏振态 %r1NRg8  
u0&QStI  
z}'-gv\,  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： 4'Svio  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 I ,j,Hz0  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 ?X'm>R. @  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 !^~ ^D<  
7Nu.2qE  
Passilly等人更深入的光栅案例。 yK1@`3@?  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 Oz3JMZe  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 3PmM+}j3  
`\}Ck1o  
re]e4lZ  
FTVV+9.
l:  
光栅结构参数 _#9F@SCA  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 reBAxmt   
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 K{]9Yo  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 zv~dW4'  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 i?{cB!7  
oGtz*AP%  
e}xx4mYo  
光栅#1——参数 (qG}`?219J  
假设侧壁倾斜为线性。 Nk#[~$Q-1  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 pTQ70V3  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 &xAwk-{W  
光栅周期：250 nm HLlp+;CF><  
光栅高度：660 nm I34|<3t$  
填充因子：0.75（底部） `(2Y%L(r  
侧壁角度：±6° i[IOR0  
n_1：1.46 ,Y)7M3I  
n_2：2.08 ~Av
B5  
K:<j=j@51  
!R`E+G@  
jTeHI|b  
光栅#1——结果 [}mx4i  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 I_dO*k%l  
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。 #YiphR&  
efT@A}sV  
   k1.h|&JJN  
m@,u&9K  
光栅#2——参数 M:PEY*4H  
假设光栅为矩形。 cF2!By3M  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。
762c`aP_(  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ;h7W(NO~z  
光栅周期：250 nm }xA Eu,n^  
光栅高度：490 nm rGn6S&-  
填充因子：0.5 +u[^
@>_I0  
n_1：1.46 ]jB`"to*}  
n_2：2.08 (:9=M5d  
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X-_ $jKfM  
光栅#2——结果 @'~7O4WH  
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。 BzXTHFMSy  
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。
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