[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。 ,
(Zxd4?y  
0+op|bdj  
kN1R8|pv  
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任务说明 9uWg4U  
~mt{j7  
|[iO./zP  
aY?VP?BL  
简要介绍衍射效率与偏振理论 ;@ixrj0u  
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。 #GlFm?/6K/  
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： }=R0AKz!Cv  
LKcp.i  
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。 zEO~mJzo  
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： { "Cu)AFy  
#~/9cVm$  
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。 R,78}7B  
kP[fhOpn  
光栅结构参数 %i3[x.M  
研究了一种矩形光栅结构。 //|B?4kk  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 HP_h!pvx  
根据上述参数选择以下光栅参数： PVF:p7  
光栅周期：250 nm WvT H+  
填充因子：0.5 pXlqE,  
光栅高度：200 nm <";1[A%7<  
材料n_1：熔融石英（来自目录） ~!mY0odH  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） j0+D99{R  
\8<[P(!3  
>Tl/3{V  
>SvS(N{  
偏振态分析 P.q7rk<  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 +JC"@  
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。 goyDG/  
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。 AEnkx!o  
@0PWbs$  
5lD`qY  
\.ie
jB  
模拟光栅的偏振态 OqMdm~4B!j  
j*|0#q;e6  
zE1=P/N  
FO[ s;dmzu  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： oKGF'y?A>  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 @.a59kP8X  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 fA<os+*9i  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 c-&Q_lB  
Hpz1Iy@  
Passilly等人更深入的光栅案例。 zj2y=A|Y  
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。 (?'vT%  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 Wd!Z
`,R  
^ op0" #B  
Q%q;=a  
G7`m
K}J7  
光栅结构参数 q1L>nvE  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 (D?4*9=  
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。 @8m%*pBg  
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。 %7`eT^  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 ;PG= 3j_  
MHt ~ZVH  
"2-D[rYZ  
光栅#1——参数 !mqIq}h  
假设侧壁倾斜为线性。 2^`k6V!  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ndDF(qHr  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 lY@2$q9BT  
光栅周期：250 nm u@:[ dbJ  
光栅高度：660 nm gV9bt~  
填充因子：0.75（底部） 2f%+1uU  
侧壁角度：±6° >#&25,Q  
n_1：1.46 n05GM.|*s  
n_2：2.08 NpM;vO  
KwaxNb5  
0S>L0qp  
YR/I<m`]}  
光栅#1——结果 !PeSnO  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 YW~ 9N  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 )sK53O$  
wBw(T1VN  
   *'H\`@L  
/3hY[#e  
光栅#2——参数 Z*b l J5YC  
假设光栅为矩形。 M~
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^deU1  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。  `5(F'o  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 N}#"o  
光栅周期：250 nm }.8yKj^p  
光栅高度：490 nm x)eF{%QB  
填充因子：0.5 ; }T+ImjA  
n_1：1.46 m}D;=>2$  
n_2：2.08 U}Puq5[ ?  
>iG3!Td)y  
Ylu\]pr9|C  
nTtEv~a_n  
光栅#2——结果 Ja&S
_'P[  
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。 `s+kYWg'Z  
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。 #1*7eANfr  
   ,gG RCp  
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