[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。
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任务说明 H(5ui`'s  
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Us@ {w`T  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 npG+#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。 vBCZ/F[  
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： &ESR1$)'P  
_>_y@-b  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 ]X"i~$T1S  
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： SCI-jf3WN  
k?|zIu  
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。 x=)30y3*;  
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s  
光栅结构参数 ?O.6r"  
研究了一种矩形光栅结构。 kw-
Kx4 )  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 nkCRe  
根据上述参数选择以下光栅参数： ,< )/45  
光栅周期：250 nm YiI:uG!|D  
填充因子：0.5 *`pec3"  
光栅高度：200 nm e G*s1
uQl  
材料n_1：熔融石英（来自目录） 1,;qXMhK`;  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） Ie`SWg*WL  
%;B(_ht<-w  
Lct+cKKU  
>{LJ#Dc6  
偏振态分析 QF.wtMGF&  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 GD6'R"tJ  
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。 /kviO@jm4(  
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。 v_1JH<GJ-  
M;Mdz[Q  
wHN`- 5%  
UNZVu~WnF  
模拟光栅的偏振态 h?pGw1Q  
,n,7.m.D  
ReGO9}  
o y%g{,V  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： H@&"M%  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 x+)hL D[ n  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 +IOK
E\,Y  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 qU x7S(a  
BUy}Rn  
Passilly等人更深入的光栅案例。 3bI|X!j  
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。 dE9aE#o  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 \8>N<B)  
fY+ .#V  
 V\7u  
Nm:|C 3_I  
光栅结构参数 $GfxMt  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 7zkm  
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。 {*]=qSz  
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。 #.G>SeTn2}  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 B8#f^}8  
A`8}J4  
}-]s#^'w  
光栅#1——参数 Rx"VscB6z  
假设侧壁倾斜为线性。 ea[a)Z7#  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 z )}wo3  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 P@T $6%~  
光栅周期：250 nm qP.VK?jF|  
光栅高度：660 nm BxN#Nk~  
填充因子：0.75（底部） zm^p7&ak$  
侧壁角度：±6° kU9AfAe  
n_1：1.46 ~[X:twidkL  
n_2：2.08 x?k |i
}Q  
WaO;hy~us  
P*^UU\x'4I  
GH)+yD[o  
光栅#1——结果 d5W[A#}  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 /)<7$  
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。 +z/73s0~  
K]azUK7  
   JC?V].) y5  
Fe>#}-`  
光栅#2——参数 { dxyBDK  
假设光栅为矩形。 D `3yv R  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 T=KrT7  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 cngPc]?N  
光栅周期：250 nm / z>8XM&  
光栅高度：490 nm Z"8cGN'  
填充因子：0.5 $G([#N<  
n_1：1.46 R$'nWzX#  
n_2：2.08 "%iR-s_>  
!{=%l+^.  
,T>2zSk  
~CTRPH  
光栅#2——结果 4'eVFu+62  
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。 "Q!{8 9Y  
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。 ^Q+5M"/8  
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