[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。 k @'
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任务说明 #"% ]1={b  
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简要介绍衍射效率与偏振理论
L>Bf}^  
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。 6KP"F[8I  
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： W_(  
Hp;Dp!PLa  
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。 [P`t8  
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： Pda(O;aNU  
"QA <5P  
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。 )P>Cxzs  
l9 RjxO.~U  
光栅结构参数 +`g&J  
研究了一种矩形光栅结构。 3#vhQ*xU  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 RkP g&R;i  
根据上述参数选择以下光栅参数： 7KU/ 1l9$9  
光栅周期：250 nm :FOMRrf7.  
填充因子：0.5 ;i|V++$_  
光栅高度：200 nm 1MV\Jm  
材料n_1：熔融石英（来自目录） lgp-/O"T  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） odAeBQy  
%9hzz5#  
lAuI?/E  
w8i"-SE  
偏振态分析 dE9xan  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 Vh1{8'GQ  
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。 V4p4m@z^u  
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。 HVG9 C$  
Mrpn^C2)  
\9*wo9cV  
zTb!$8D"g  
模拟光栅的偏振态 ++ !BSQ e  
((L=1]w  
m/l#hp+  
><9E^ k0.  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： .} <$2.  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 |4NH}XVYJ>  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 3 "fBp  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 ]&%_Fpx  
h;105$E1  
Passilly等人更深入的光栅案例。 '&4W@lvyz  
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。 &x$1hx'  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 t>;u;XY!;  
lN"%~n
?  
dbF?#s~u  
P}B{FIpNG  
光栅结构参数 ??Zh$^No:  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 +$
R4'{9q  
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。 6rlafISvO  
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。 >g8H  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 'B&gr}@4O=  
|f+|OZY  
W.b?MPy]  
光栅#1——参数 "bZ{W(h  
假设侧壁倾斜为线性。 4L}i`)CmB  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 (bnyT?p%  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 g/Q
hI  
光栅周期：250 nm MU2ufKq4)  
光栅高度：660 nm _(=[d  
填充因子：0.75（底部） b z3&  
侧壁角度：±6° {,z$*nf  
n_1：1.46 s"5f5Cn/Wh  
n_2：2.08 1I< <`7'  
Dj!
v+<b  
NUH;\*]8s  
<:=}1t.Z  
光栅#1——结果 F!m/n!YR  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 $|~YXH~O  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 r9[{0y!4  
5&V0(LT]C  
   3D<s
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FJ]BB4 K  
光栅#2——参数 _ZUtQ49  
假设光栅为矩形。 Qu4Bd|`(k  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ~RdJP'YF-  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 2S'{$m)  
光栅周期：250 nm yu8xTh$:  
光栅高度：490 nm 0N02E  
填充因子：0.5 yhnhORSY;  
n_1：1.46 (80 Tbi~+  
n_2：2.08 n^Co  
<)01]lKH  
{s^vAD<~x3  
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光栅#2——结果 sp%EA=: E  
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。 g *}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/2]ACGCN^  
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