[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。 .X'pq5  
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Dd,2;#_  
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任务说明 p*20-!{A  
j.%K_h?V5  
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++jAz<46  
简要介绍衍射效率与偏振理论 >/=>B7  
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。 $n!K6fkX%  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： 5T?-zFMM  
?!'ZfQ:zK  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 E\U`2{^.  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程：
_>yoX  
*F`A S>  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 U*)m',  
JSr$-C fH  
光栅结构参数 Ii&7rdoxe  
研究了一种矩形光栅结构。 3\:y8|  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 bt$)Xu<R  
根据上述参数选择以下光栅参数： Qk976  
光栅周期：250 nm !mMpb/&&S  
填充因子：0.5 1P(&J  
光栅高度：200 nm S DLvi!y
 
材料n_1：熔融石英（来自目录） {d<;BLA  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） n6<V+G)T  
XYrJ/!*.  
oCS2E =O&  
T~:|!`  
偏振态分析 _iV]_\0W2  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 .2)
=vf'd  
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。 bm% $86  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 jMNU ?m:  
%9oYw9H!  
F4L;BjnJ  
OEx^3z^  
模拟光栅的偏振态 JW.=T)  
pmWr]G3,*  
OTDg5:>  
^Yj xeNY  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： fw6UhG  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 \>QF(J [8  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 ',^+bgs5  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 Y!J>U  
,#?uJTLH  
Passilly等人更深入的光栅案例。 jhbonuV_  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 kn"(mJe$  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 mZz=
"ZLa:  
Y5ZZ3Ati  
<Z}SKR"U%  
uvP2Wgt  
光栅结构参数 D,qu-k[jMI  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 3psU?8(  
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。 5NoI~X=  
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。 uVyGk~  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 G)v #+4  
?`zXLY9q7  
^j#rZ;uc   
光栅#1——参数 YW u cvw&  
假设侧壁倾斜为线性。 p~HW5\4  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ivDGZI9  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 t58e(dgi  
光栅周期：250 nm l7#yZ*<v  
光栅高度：660 nm ,C%eBna4Iq  
填充因子：0.75（底部） WOuEWw=  
侧壁角度：±6° ib{-A&  
n_1：1.46 Q'_z<V  
n_2：2.08 w2_bd7Wp<  
H"ZZ.^"5FV  
M9zfT!-  
#Zrlp.M4  
光栅#1——结果 [kE."#  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 b&1`NO  
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。 F1L:,.e`  
^&y$Wd]6  
   jck}" N  
Y"A/^]   
光栅#2——参数 .{y uo{u  
假设光栅为矩形。 pPd#N'\*  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 5j~$Mj`  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 _6ay-u  
光栅周期：250 nm Yn8=  
光栅高度：490 nm >4t+:Ut:  
填充因子：0.5 -D6exTxh"  
n_1：1.46 4Y[1aQ(%  
n_2：2.08 0RoU}r@z4  
giz7{Ai  
|4'Y/re  
E Cyyl  
光栅#2——结果 M(/r%-D  
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。 B^g ?=|{  
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。 )7h$G-fe  
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