[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。 }/)vOUcEd  
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任务说明 7b>FqW)%  
":=\ci]e%  
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8a  
6<aZr\Ufg  
简要介绍衍射效率与偏振理论 poLzgd  
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。 4)-
?1?)  
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： ^d6}rtG  
NMaZ+g!t(  
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。 ^eF%4DUC;  
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： ]rwHr;.  
PSCzeR  
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。 pF0sXvWGG  
M$Sq3m`{!  
光栅结构参数 GjVq"S  
研究了一种矩形光栅结构。 cV;<!f+  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 U&F1}P$fb  
根据上述参数选择以下光栅参数： F+ ,eJ/]  
光栅周期：250 nm +M )ep\j  
填充因子：0.5 hM_0/o-  
光栅高度：200 nm C:r@)Mhq  
材料n_1：熔融石英（来自目录） ENx1)]  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） F7fpsAt7  
_xKuEU}  
{@1;kG  
y4N8B:j%  
偏振态分析 j 3/ I=  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 pJg'
$iR!/  
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。 ;)n
kY6-  
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。 :Xe,=M(l~  
c<k=8P  
#|92+  
~wejy3|@0  
模拟光栅的偏振态 o*]Tqx  
dM-qd`
  
.Iu8bN(L
`  
g?7I7W~?`  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： _cRCG1
CJ  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 9N+3S2sBx&  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 H[WsHq;T+9  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 :.VI*X:aQh  
95XQ?%  
Passilly等人更深入的光栅案例。 o"kVA;5<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。 {th=MldJ?  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 3p+V~n.+  
%#_"Ie  
DPWt=IFU  
"V=IG{.  
光栅结构参数 5SB!)F]  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 ,H)v+lI  
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。 &gxWdG}qx]  
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。 k4C3SI*`4  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 Mzg zOM  
$yn7XonS  
*XU2%"Sc  
光栅#1——参数 =8o$  
假设侧壁倾斜为线性。 -$ VP#%  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 }O+a  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 +GYO<N7  
光栅周期：250 nm ?5IF;vk  
光栅高度：660 nm {p
y"Ob_  
填充因子：0.75（底部） XfYbWR  
侧壁角度：±6° '+s?\X4VC  
n_1：1.46 L*8U.{NY  
n_2：2.08 i^SPNs=  
Bs3M7zRG  
`;}w!U  
C>:,\=y%  
光栅#1——结果 QM) ob  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 nb~592u  
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。 5r` x\  
'% if< /  
   +^cjdH*  
A"}Ib'  
光栅#2——参数 KXiStwS  
假设光栅为矩形。 KY'x;\0 g  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ;Tec)Fl  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 U^;|as  
光栅周期：250 nm B'v~0Kau  
光栅高度：490 nm ~(;HkT  
填充因子：0.5 uqsVq0H  
n_1：1.46 Y2TXWl,Jk  
n_2：2.08  8+,I(+  
xG1(vn83gq  
#z5$_z?_  
s/0bXM$^  
光栅#2——结果 6pdek3pOCt  
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。 RI3GAd  
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。 i)!+`w*Y  
   [9;[g~;E%m  
GboZ T68  
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