[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。 a>egH og  
Z(BZGO<  
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任务说明 [q~3$mjQ  
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QVe<Z A8N;  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 F<(?N!C?@  
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。 9%DLdc\z;  
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： &W N R{  
~;I'.TW  
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。 m,r>E%;Cj  
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： Gy!bPVe
 
s:^Xtox/  
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。 J:0`*7  
hv)d  
光栅结构参数 @Wd1+Yky  
研究了一种矩形光栅结构。 kjj?X|Un  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 tTPjCl  
根据上述参数选择以下光栅参数： g]U!]  
光栅周期：250 nm goc"+K  
填充因子：0.5 _Q}vPSJviC  
光栅高度：200 nm 'Xg9MS&  
材料n_1：熔融石英（来自目录） xDIl  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） /\5u-o)  
Y|aaZ|+  
Y{2L[5_1  
:@J.!dokF  
偏振态分析 HQ^:5XH  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 wZ/b;%I!  
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。 ig4mj47wJ  
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。 <ugy-vSv  
1p(9hVA  
L!^^3vn  

#A^(
1  
模拟光栅的偏振态 @O)1Hnm  
rG{,8*  
$i$Z+-W4'  
|/;X-+f8  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： DaqpveKa  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 t8t+wi!  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 FyA0"  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 h F *c  
JmbWE
X|  
Passilly等人更深入的光栅案例。 Kj*$'('  
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。 |.LE`  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 K"VRHIhfg  
%SwhNn  
k4YW;6<C+  
n4/Jx*  
光栅结构参数 I=&Kn
@^  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 `D0Hu!;
 
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。 2E0$R%\  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 }&LLo  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 2~QN#u|UC3  
,5P tB]8&3  
pSS8 %r%S'  
光栅#1——参数 b!z kQ?h  
假设侧壁倾斜为线性。 BS+=*3J  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 fk(h*L|sI  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 X!f` !tZ:{  
光栅周期：250 nm N m@UM*D  
光栅高度：660 nm h3P^W(=&  
填充因子：0.75（底部） i>z {QE  
侧壁角度：±6° p$l'y""i  
n_1：1.46 ^-26K|{3  
n_2：2.08 tQcn%CK  
X>ck.}F  
oVeC@[U  
3zo:)N\K  
光栅#1——结果 <{1=4PA  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。
nSB@xP#&  
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。 Vi<F@ji  
M]A!jWtE  
   i" >kF@]c8  
ZGQz@H5  
光栅#2——参数 H]VoXJ\*  
假设光栅为矩形。 GaLQ/V2R  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 !s(s^  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 d2Ox:| <)  
光栅周期：250 nm lAo S 9w  
光栅高度：490 nm Oq*=oz^~1  
填充因子：0.5 tz/NR/[  
n_1：1.46 Iz[wrtDI1  
n_2：2.08 %q_b\K  
yo_;j@BGR  
t(=Z@9)]4F  
4>t=r\"4  
光栅#2——结果 vs(x;zpJ  
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。 OjfumZL#  
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。 jT1^oXn@  
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