[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。 W";Po)YC  
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任务说明 (z X&feq  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 N1X;&qZDd  
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。 }62Q{>`  
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： #,rP1#?  
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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;p;o]  
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： 4j~WrdI*  
9,0}}3J  
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。 Ms=11C  
xO;Qr.3PX  
光栅结构参数 ?)FY7[x.  
研究了一种矩形光栅结构。 ;;n=(cM|z  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 (.~'\@  
根据上述参数选择以下光栅参数： ~D!Y] SK  
光栅周期：250 nm 5z9'~Gfb  
填充因子：0.5 QjyJmW("Z  
光栅高度：200 nm *jo1?  
材料n_1：熔融石英（来自目录） $ Bdxu  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） @{x+ln1r  
n]bxG8~t  
2Q[q)u  
@1)C3(=A  
偏振态分析 l ?gh7m_ej  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 5 OF*PBZ  
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。 luV_  
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。 rvBKJ!b0  
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模拟光栅的偏振态 zjwo"6c>  
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l[{Ci|4  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： 2%t!3F:  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 tq5o  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 szD BfGd%j  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 j%E9@#  
\t]aBT,  
Passilly等人更深入的光栅案例。 p0j-$*F  
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。 5fud:k  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 j0IuuJ+  
`pYL/[5  
b;t b&o  
?1lx8+  
光栅结构参数 M@O<b-  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 BZ@v8y _TA  
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。 He)dm5#fg  
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。 5b%zpx0Y  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 z;[Z'_B  
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{D#5  
yy$7{9!  
光栅#1——参数 /R)(u@jk  
假设侧壁倾斜为线性。 ,v*<yz/  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 LQ=Fck~[r  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 &?B\(?*  
光栅周期：250 nm Ov8{ny  
光栅高度：660 nm QzA/HP a  
填充因子：0.75（底部） h*?/[XY  
侧壁角度：±6° 4p_@f^v~QH  
n_1：1.46 Q OP8{~O  
n_2：2.08 n"Q fW~U  
;gv9J[R  
WJ(E3bb  
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1pMe{  
光栅#1——结果 3Ho<4_I,  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 XP_V  
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。 a+{95"4  
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   B=J/HiwV)  
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光栅#2——参数 @X*r5hjc  
假设光栅为矩形。 h;sdm/  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 &li&P5!i  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 e8<[2J)P&  
光栅周期：250 nm  <IL$8a  
光栅高度：490 nm FR@##i$  
填充因子：0.5 B|+t
K  
n_1：1.46 wXxk+DV@  
n_2：2.08 4>xv7  
haMt2S2_B:  
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光栅#2——结果 XDi[Iyj  
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。 1u0NG)*f  
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。 _jCjq   
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