[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。 zw+aZDcV(  
vO1; ;  
RJ3oI+gI  
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\C=h  
任务说明 A!bG2{r  
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v@OU?  
P'U2hCif  
X-HE9PT.  
简要介绍衍射效率与偏振理论 pjFO0h_Y  
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。 d{4;qM#  
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： AVpg  
mcez3gH  
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。 {o24A:M  
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： %)r ~GCd  
Zigv;}#  
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。 7l69SQo]?  
vt#;j;liG  
光栅结构参数 E7A!,A&>  
研究了一种矩形光栅结构。 |[>@Kk4  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 ,_3hbT8Q  
根据上述参数选择以下光栅参数： @zg}x0]  
光栅周期：250 nm tON>wmN  
填充因子：0.5 ls@]%pz.1d  
光栅高度：200 nm KRa
L+A  
材料n_1：熔融石英（来自目录） 2cYBm^o|x  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） >u$8Z  
8v;^jo>ug  
yQ2=d5'V`  
d<a|dwAeh  
偏振态分析 #Lhv=0op  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 rR.It,,  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 Xi&J%N'  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 0\%g@j-aD  
R_PF*q2 '  
X.t4;  
p u(mHB  
模拟光栅的偏振态 vamZKm~p  
@z@%vr=vX  
x z_sejKB  
!K>iSF
<  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： =5+*TL`  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 /\8Il+0  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 (wDE!H7  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 FO2e7p^Q  
zU?O)w1'  
Passilly等人更深入的光栅案例。 WUYI1Ij;  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 CFaY=Cy  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 !$Nj!  
(&:gD4.  
/5ZX6YkeH  
BR2Gb~#T  
光栅结构参数  j#](Q
!  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 s*izhjjX  
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。 l[}4 X/  
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。 U[C4!k:0  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 Lzq/^&sc(  
^dQ{vL@9b9  
4_R|3L  
光栅#1——参数 S0,\{j  
假设侧壁倾斜为线性。 Qz~uD'Rs/  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 <g[z jV9p  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 ^|Q]WHNFB  
光栅周期：250 nm .hl_zc#  
光栅高度：660 nm vi,hWz8WB  
填充因子：0.75（底部） P\jGySj
  
侧壁角度：±6° I~GF%$-G  
n_1：1.46 ZwmucY%3  
n_2：2.08 <S@jf4  
Wc3z7xK1@  
;5Sdx5`_  
?{ir$M  
光栅#1——结果 ( ayAP  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 jJ,_-ui  
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。 fO*jCl  
QZ a.c  
   '/W$9jm  
U.7fMc
#  
光栅#2——参数 *DL7p8  
假设光栅为矩形。 lE:g A,  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 I.<c{4K5  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ~66xO9s  
光栅周期：250 nm 4<efj  
光栅高度：490 nm )kD
/ 8  
填充因子：0.5 #z `W ,^C  
n_1：1.46 ag=d6q  
n_2：2.08 ?"B]"%M&  
 F!omkN  
!|cg=  
+ ?1GscJ  
光栅#2——结果 )g0fN+Mb  
这两幅图对比之下再次显示出非常好的匹配度，特别是图表的趋势。 }r,\0Wm  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 1\.$=N  
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