[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。 V (X)Qu@R  
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任务说明 BHFWig*{  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 ^M?uv
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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。 TXy*-<#vR  
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： XPX{c|]>.  
p]pFZ";70  
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。 >:wk.<Z-  
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： v3@)q0@  
O gycP4z[  
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。 ][qZOIk@  
h!)(R<  
光栅结构参数 jP}N^  
研究了一种矩形光栅结构。 >GZF\ER  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 mXa1SZnE
 
根据上述参数选择以下光栅参数： &G'R{s&"  
光栅周期：250 nm ^{Mx?]z  
填充因子：0.5 z2,rnm)Q  
光栅高度：200 nm 8I~H1  
材料n_1：熔融石英（来自目录） *W i(%  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） lz# inC|  
0jg-]  
B"{CWH O  
 a_Xh(d$  
偏振态分析 12k)Ek9  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 j&#p&`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。 '9RHwKu&s  
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。 VT0I1KQx.  
OO\UF6MCU  
'rd{fe_g!  
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模拟光栅的偏振态 eJ?SLMLY  
`%rqQnVB  
?{^T&<18t  
p%,JWZ[  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： >r{,$)H0  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 zzPgLE55  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 9-L.?LG  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 !m^WtF  
Le_?x  
Passilly等人更深入的光栅案例。 znu?x|mV  
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。 jIuE1ve  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 "$m3xO  
H#Vs3*VK  
1k "*@Z<  
|ukEnjI`u  
光栅结构参数 Ee4oTU5Mb  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 JkpA \<  
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。 [j:%O|h  
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。 CJ%7M`zy  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 r)h+pga5^E  
VIynlvy  
L+d_+:w  
光栅#1——参数 4xg%OH
 
假设侧壁倾斜为线性。 =X>?Y,  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 @XB/9!  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 vE&  
光栅周期：250 nm -_A0<A.  
光栅高度：660 nm *Q5/d9B8TN  
填充因子：0.75（底部） ].`i`.T  
侧壁角度：±6° &K|CH? D  
n_1：1.46 opdi5e)jK  
n_2：2.08 IDwneFO  
i wK,XnIR  
>_tn7Z0L  
dt;R  
光栅#1——结果 )I`B+c:  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 @K2q*d  
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。 D1x~d<j  
N(&,+KJ)  
   :'a |cjq  
lHr?sMt
 
光栅#2——参数 |)yO]pB:  
假设光栅为矩形。 1j3mTP  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 XeJx/'9o{  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 yv]/A<gP+  
光栅周期：250 nm 7$}lkL  
光栅高度：490 nm 
K^?/  
填充因子：0.5 q9F(8-J  
n_1：1.46 exZa:9 sp  
n_2：2.08 2NqlE  
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光栅#2——结果 *)
H?d  
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。 .@.O*n#K  
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。 9;sebqC?  
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