[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。 5- Q`v/w;  
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任务说明 Ov{f
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v2<roG6.V  
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(]BZ8GOx  
简要介绍衍射效率与偏振理论 "4FL<6  
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。 >/
Z#{;kOz  
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： 5G8`zy  
[c?']<f4  
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。 0D1yG(ck  
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： Xq&x<td  
t;+6>sTu  
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。 4+mawyM  
pk'@!|g%=  
光栅结构参数 FAu G`zu  
研究了一种矩形光栅结构。 :)nn/[>fC  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 z`uqK!v(K  
根据上述参数选择以下光栅参数： WNTm  
光栅周期：250 nm d#T8|#O"  
填充因子：0.5 7p}G!]`  
光栅高度：200 nm EmNB}\IYU  
材料n_1：熔融石英（来自目录） )>,b>7  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） JbYv
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`4s5yNUi=  
x_Ki5~w5  
5| 2B@6-  
偏振态分析 -"5x? \.{m  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 zTY|Z@:  
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。 (5d~0  
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。 XKp%
7;  
2]NP7Ee8Z  
EU,4qO  

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模拟光栅的偏振态 a<Pi J?  
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1G|Q~%cv  
W0$G7s  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： .Gl&K|/{j  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 K_nN|'R-  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 !mL,Ue3/  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 C5Q|3d  
SPsq][5eR  
Passilly等人更深入的光栅案例。 '2]u{rr~+  
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。 (?R  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 n:he`7.6O  
UA,&0.7  
5S7`gN.  
iyOd&|.  
光栅结构参数 xpyb&A  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 %R;cXs4r  
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。 <E@7CG.=  
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。 P0Na<)\'Y!  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 CV4V_G  
L5yxaF{]  
1s\10 hK1c  
光栅#1——参数 1:7>Em<s  
假设侧壁倾斜为线性。 ,@='.Qs4g  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 fokT)nf~^8  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 $?Aez/  
光栅周期：250 nm $},:z]%D  
光栅高度：660 nm K@n.$g  
填充因子：0.75（底部） h9+ylHW_cp  
侧壁角度：±6° Dr`\  
n_1：1.46 =(v!pEF  
n_2：2.08 V-=$:J"J'\  
U]R?O5K  
O%o#CBf0  
(%#d._j>fZ  
光栅#1——结果 ,_rarU)[
J  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 Z55,S=i  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 Z(K[oUJx  
RMC|(Q<  
   _$ixE~w-!  
Ynz^M{9)K  
光栅#2——参数 CI{]o&Tf  
假设光栅为矩形。 bw
Vv#Z\r  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 sQJM 4'8f  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ZX'{o9+w5  
光栅周期：250 nm #-'}r}1ZT  
光栅高度：490 nm 2Fx<QRz  
填充因子：0.5 F5 LQgK-z  
n_1：1.46 V2VsJ  
n_2：2.08 4 >&%-BhN  
lR.a3.~  
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1r~lh#_8  
光栅#2——结果 1xguG7  
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。 )sV# b  
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。 T@yH.4D  
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