[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。 (dV7N  
NvpDi&i  
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任务说明 y'JJ#7O=  
]xIgP%  
P;|63"U  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 d/YQ6oKU  
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。 Uf?+oc'{  
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： 6r[pOl:  
"ZmxHMf  
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。 &iy7It  
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： +]hc!s8  
^lK!tOeO  
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。 [:A">eYI  
tM;+U  
光栅结构参数 +|4olK$[  
研究了一种矩形光栅结构。 N2u4MI2  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 avXBCvP+h  
根据上述参数选择以下光栅参数： ax2#XSCO  
光栅周期：250 nm >F/E,U ]  
填充因子：0.5 Ku3NE-)  
光栅高度：200 nm !8RJHMX&  
材料n_1：熔融石英（来自目录） !Uhcjfq`e  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） _~*ba+
{  
vQDR;T"]  
^6!8)7b  
=Prz|
 
偏振态分析 CKU)wJ5t  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 [[}ukG4  
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。
e)F_zX  
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。 Y`xAJ#= ,i  
li}>xDSQ4  
GzT?I 7|M  
/[q_f  
模拟光栅的偏振态 clIn}wQ  
=knBwjeD  
$! g~pV  
9HlM0qE5b  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： *kJa$3*r  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 MA7&fNjB  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 p\]rxtm  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 |%(qaPA1  
Ti#x62X{  
Passilly等人更深入的光栅案例。  Y@b|/+  
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。 XKT[8o<L  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 MLmv+  
2nSz0 .  
n+Ng7  
tZr_{F@  
光栅结构参数 Q:Y`^jP   
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 F}5skD=  
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。 8BnsYy)j  
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。 Ye[Fu/0  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 }5QUIK~NA  
Ek '%%%  
}9+Vf'u|l  
光栅#1——参数 (~:ip)v  
假设侧壁倾斜为线性。 cs]3Rp^g  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 pq
]>Ep  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 2y9$ k\<xV  
光栅周期：250 nm AxCFZf5  
光栅高度：660 nm X>MDX.Z  
填充因子：0.75（底部） _wZr`E)  
侧壁角度：±6° O+~@S~  
n_1：1.46 cvV8;  
n_2：2.08 YXGxE&!  
h;J%Z!Rjw  
!\q'{x5C  
$,1KD3;+]  
光栅#1——结果 7+P-MT  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 74KR.ABd  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 kyD*b3MN  
Lo +H&-  
   rX|{
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k_ijVfI9  
光栅#2——参数 x0q`Uc  
假设光栅为矩形。 0-Wv$o[  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 mFBuKp+0)h  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 0}$R4<"{Y>  
光栅周期：250 nm :U'Oc3l#Y  
光栅高度：490 nm XC,by&nY<y  
填充因子：0.5 |<LW(,|A  
n_1：1.46 -QQU>_  
n_2：2.08 <!~NG3KW[>  
H$)otDOE  
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d-#yN:}0  
光栅#2——结果 hDTM\>.c;s  
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。 L^jhr>-";  
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。 6W N(Tw  
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