[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。 q/3}8BJ  
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任务说明 -Qgfo|po  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 o&AUB`.9~  
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。 l1:j/[B=  
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： 82=][9d #  
*@ o3{0[Z  
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。 UF{2Gx  
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： {l6]O  
qQ_B[?+W  
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。 9BY b{<0tS  
*= 71/&B  
光栅结构参数 LH_2oJ\  
研究了一种矩形光栅结构。 Ww p^dx`!  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 oD
8-I^  
根据上述参数选择以下光栅参数： j;y|Ys)I  
光栅周期：250 nm !^7:Rr_  
填充因子：0.5 #SXXYh-e  
光栅高度：200 nm 5a`}DTB[Co  
材料n_1：熔融石英（来自目录） C[pDPx,#:G  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） w#1dO~  
g\.N>P@Bu  
gvJJ.IX]+  
96.Wfx  
偏振态分析 ~4^e a  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 |<V{$),k  
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。 ?
4Lo"igAA  
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。 + ND9###  
xki"'

  
tWiV0PTI  
H5AY6),  
模拟光栅的偏振态 e>^R 8qM?  
~V&R
eW/  
@CmxH(-i-  
5^dw!^d  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： EyeLC6u  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 kC0!`$<2f)  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 E;4a(o]{t  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 i/~J0qQ  
GN<I|mGLJK  
Passilly等人更深入的光栅案例。 _#O?g=1  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 54{"ni2a  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 LTe7f8A  
 {5udol5?  
6
bGD8;  
h[]N=X  
光栅结构参数 {dwV-qz  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 yjq )}y,tF  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 9zyN8v2  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 s]iOC6v  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 XbC8t &Q],  
 M9K).P=  
o^?{j*)g  
光栅#1——参数 YiTp-@$}  
假设侧壁倾斜为线性。 _iu|*h1y  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 WGmCQE[/c  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 mTfMuPPs[  
光栅周期：250 nm ]SL&x:/-  
光栅高度：660 nm yLx.*I^6  
填充因子：0.75（底部） deoM~r9s  
侧壁角度：±6° 1Q5<6*QL"  
n_1：1.46 (UZ*36@PJx  
n_2：2.08 L\ %_<2  
J[H
?nX9  
?/(K7>`  
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> T  
光栅#1——结果 _kHpM:;.  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 6bcrPf}  
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。 kPH^X}O$  
tZ^;{sM  
   `5Btg. &  
3kCbD=yF  
光栅#2——参数 >~rd5xlk  
假设光栅为矩形。 (J&Xo.<Z-  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 kZ9<j+.  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 SN(=e#ljE  
光栅周期：250 nm dSVu_*y  
光栅高度：490 nm lM,zTNu-z  
填充因子：0.5 iyYY)roB  
n_1：1.46 V|\A?   
n_2：2.08 8>Z$/1Mh  
d~jtWd|?  
Jche79B  
rx>Tc#g  
光栅#2——结果 J'y
N' 0  
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。 ]7kGHIJ|  
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。 fVUBCu
 
   ]B3FTqR{i  
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