[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。 &aAo:pj  
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任务说明 "X(=  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 %PdYv _5  
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。 r\ Yur  
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>wi;Gf#  
rHBjR_L.2  
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。 27 TZ+?  
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： Bpo68%dx89  
TIhzMW\/K  
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。 z slEUTj)  
wBHDof xX  
光栅结构参数 EM w(%}8w  
研究了一种矩形光栅结构。 A^@<+?  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 jL%}y1m?  
根据上述参数选择以下光栅参数： yj+b/9My   
光栅周期：250 nm )9jQ
_  
填充因子：0.5 /P"\+Qp  
光栅高度：200 nm <m:wuNEM  
材料n_1：熔融石英（来自目录） ^
QQNJ  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） >@Vr'kg+V
 
Dj.+5f'  
XK-x*|  
T<?BIQz(}  
偏振态分析 UBHQzc+,  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 ;OJ0}\*iP8  
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。 @CI6$  
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。 A":b_!sW  
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模拟光栅的偏振态 3(*s|V"  
SY)$2RC+}  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： F/>Pvq]  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 M #&L@fg!  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。  A;x^6>  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 nnl9I4-O  
-%) !XB  
Passilly等人更深入的光栅案例。 N`6|Y  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 z35Rjhj9  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 |6^
K  
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PuCA @qY  
R>&/n/l  
光栅结构参数 9G/2^PI  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 wx5*!^&j  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。  "1Aus  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 /mu4J|[[  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 NWK_
(=n  
:?k=Yr  
Q 9<_:3  
光栅#1——参数 1tz .e\  
假设侧壁倾斜为线性。 bI(98V,t  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 [V0h9!  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 Pp hQa!F$  
光栅周期：250 nm =W*`HV-w  
光栅高度：660 nm !T. @  
填充因子：0.75（底部） H H3  
侧壁角度：±6° JhIK$Ti  
n_1：1.46 eJp-s" %  
n_2：2.08 y<d#sv(s  
w/6@R 4)p  
p,Hk"DSs%  
~"Ki2'j)^]  
光栅#1——结果 VW`=9T5%@  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 %([H*sLX  
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。 xR`2+t&t  
0|;=mYa4M  
   #K w\r50  
5VbNWrw  
光栅#2——参数 ]t;5kj/  
假设光栅为矩形。 qDb}b d5  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 uK5x[m
 
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 Mwc3@  
光栅周期：250 nm e*s{/a?,  
光栅高度：490 nm I0RWdOK8K  
填充因子：0.5 dxWw%_Q  
n_1：1.46 /Ql}jSKi  
n_2：2.08 L{p-'V  
l:f sZO4  
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光栅#2——结果 Zh
^w)}(W  
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。 bp,CvQ'}a  
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。 o7zfD94I  
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