[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。 @"`{Sh`Y$  
uzLIllVX*  
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l5_%Q+E_  
任务说明 LiD-su D  
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B'D4]EB  
简要介绍衍射效率与偏振理论 :6frx=<  
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。 zyFbu=d|O:  
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： ,lw<dB@7"5  
DYCXzFAa  
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。 2@f E!  
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： !O#NP!  
:6Sb3w5h  
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。 5$f*fMd;  
W$Zc;KRz$0  
光栅结构参数 Hy
1f,D  
研究了一种矩形光栅结构。
LQP4#7  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 x20s
B  
根据上述参数选择以下光栅参数： (`Q_^Bfyl  
光栅周期：250 nm O:G-I$F|  
填充因子：0.5 -\=kd {*B  
光栅高度：200 nm ;hp?wb  
材料n_1：熔融石英（来自目录） dDla?)F  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） +Pm}_"GU  
&:*|K
xX  
#-u?+Nk/  
}[I|oV5*+&  
偏振态分析 as| MB (  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 RJZ4fl  
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。 dCH(N_  
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。 jR&AQ-H&  
%j?<v@y  
G!IJ#|D:~  
H"> }yD  
模拟光栅的偏振态 (s.S n(E  
,b8q$R~\  
D>Ph))QI  
ssC5YtF7X  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： /h'b,iYVV  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 K%"cVqb2V  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 o\YF_235  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 }nJG<rY  
JM
q00_  
Passilly等人更深入的光栅案例。 O~AOZ^a:2  
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。 \ >(;t#>  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 nY<hfqof  
(PN!k0Y  
u)fmXoQ  
@rVBL<!o,  
光栅结构参数 -3T
6ck  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 0BTLIV$d;  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 U ]6Hml;l  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 O{9h'JU  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 Q[k7taoy  
3q.O^`y FU  
cHMS[.=;  
光栅#1——参数 >K9uwUi|b]  
假设侧壁倾斜为线性。 j@b4)t  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 c
tL@&~*nY  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 ryq95<l
F  
光栅周期：250 nm fH7o,U|  
光栅高度：660 nm 6Hn3  
填充因子：0.75（底部） ivbuS-f=r  
侧壁角度：±6° f9g#pyH4  
n_1：1.46 #`mo5  
n_2：2.08 V4OhdcW{  
b!ZXQn3X<  
98os4}r  
]64mSB  
光栅#1——结果 wKCHG/W  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 B&`hvR  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 \S@;>A<J  
<Dw`Ur^X5  
   Nd~?kZZu  
 (Ia}]q  
光栅#2——参数 & ;+u.X  
假设光栅为矩形。 +]Y&las  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 DH_Mll>  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 Y$ ;C@I  
光栅周期：250 nm RTNUHz;{L  
光栅高度：490 nm ?s("@dz_  
填充因子：0.5 z1ltc{~Z  
n_1：1.46 g@.RfX=  
n_2：2.08 _1`*&k JL~  
DLkNL?a  
9psX"*s  
M? oK@i  
光栅#2——结果 0EYK3<k9!  
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。 u|7d_3 ::  
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。 5o5y3ibQ  
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