[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。 l/g6Tv`w  
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任务说明 HGl.dO7NU  
W~qVZ(G*U  
~1.B fOR8  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 =Cg1I\  
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。 SKeX~uLz  
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： {dXmSuO  
Ge+T[  
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。 ^SC2k LI  
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： w~wg[d  
\_l4li  
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。 @e:= D  
+ [~)a4#  
光栅结构参数 2pmqP-pKd  
研究了一种矩形光栅结构。 z[+S
b;  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 $~)YI/b  
根据上述参数选择以下光栅参数： pxb4x#CC  
光栅周期：250 nm !yo@i_1D  
填充因子：0.5 2wwJ>iR`  
光栅高度：200 nm iOJ5KXrAO  
材料n_1：熔融石英（来自目录） UAe8Ct=YJ  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） +sT S1t  
EFn[[<&><t  
hI 1or4V  
TE% i   
偏振态分析 C2C1 @=w  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 +=K =B  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 _o7t| pl~  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 %00cC~}4  
)=
pa*  
 L30$  
=z[$o9  
模拟光栅的偏振态 aUk]wiwIR9  
XNJ3.w:R  
*-(8Z>9  
se=;vp]3a  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： Y.kgJ #2  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 JFFluL=-  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 ,ygUy]  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 }#h`1 uV  
Mj`g84  
Passilly等人更深入的光栅案例。 qe'RvBz  
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。 2Q5-.2]  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 4W#DLi
p9  
1my1m  
-&l%CR,U  
[kf6bf@  
光栅结构参数 R@){=8%z  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 %{-r'Yi%  
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。 WK0:3q(P  
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。 Vh?RlIUA  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 (67byO{  
X;n09 L`CB  
&0i$Y\g  
光栅#1——参数 l <p(zLR  
假设侧壁倾斜为线性。 c h}wXn  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 WLA&K]  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 jZD)c_'U  
光栅周期：250 nm \)?+6D'#  
光栅高度：660 nm 7>=
 
填充因子：0.75（底部） 6j!idA!'  
侧壁角度：±6° P=PeWX*L<Z  
n_1：1.46 <HtGp6q  
n_2：2.08 e+V8I&%  
zz!jt A  
e_"m\e#N  
QQHQ3\  
光栅#1——结果 5|cRHM#  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 --EDr>'D5P  
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。 $6(a6!  
N<ux4tz  
   Gu@C*.jj!  
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%CCZ  
光栅#2——参数 5KP\#Y  
假设光栅为矩形。 !C h1q  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 \B^NdG5Y  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 o".,JnbXl  
光栅周期：250 nm +u&[ j/  
光栅高度：490 nm na|sKE;{  
填充因子：0.5 U>OAtiq JX  
n_1：1.46 Z~<=I }@  
n_2：2.08 BeN]D  
}LeS3\+UHl  
IJt'[&D  
&_u.q/~  
光栅#2——结果 ^Ua6.RH8  
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。 l4dG=x}M]  
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。 N:+)6a  
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