[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。 .GkH^9THP  
JCS$Tm6y<_  
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任务说明 Ql#:Rx>b  
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Rs5G5W@"A  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 !.x(lOqf  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 Nluy]h &  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率：
[T !#s  
(hdP(U77  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 O"_FfwO a  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： +9,"ne1'e  
3'*SSZmnOB  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 IjJ3./L!5  
Bd)Qz(>rw  
光栅结构参数 Q4q3M=0  
研究了一种矩形光栅结构。 #OH# &{H  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 ^;Ap-2Ww  
根据上述参数选择以下光栅参数： > : \lDz  
光栅周期：250 nm zj"J~s;?  
填充因子：0.5 j9%=8Dn.<  
光栅高度：200 nm V$<og  
材料n_1：熔融石英（来自目录） zziujs:  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） :] {+
3A  
EKq9m=Ua@o  
 `q%Z/!}  
 fW|1AUD,  
偏振态分析 (fb&5=Wzw  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 gmy_ZVU'  
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。 ImyB4welo  
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。 KS3 /  
B,,f$h!  
ep>S$a*|  
<~vamim#K  
模拟光栅的偏振态 S1*n4w.H  
cYmMO[4YG'  
>*B/Wy  
jZ7#xRt5w  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： Z/6B[,V  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 O0';j!?X  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 _`*x}  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 ?VO*s-G:J  
wp$CJ09f*  
Passilly等人更深入的光栅案例。 *ZF7m_8u{  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 T6%*t#8r  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 vw>O;u.]B  
?L+@?fVN  
HE7JQP!q  
a[[u>oHyd  
光栅结构参数 srO{Ci0  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 KP -g<Zc  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 h 5t,5e}  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 P%g[!9 '  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 fp|b@  
8'@pX<  
WDWb7  
光栅#1——参数 OjJKloy'  
假设侧壁倾斜为线性。 k2_ "  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 )CYSU(YTD  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 8s6[?=nM  
光栅周期：250 nm WojZ[j>  
光栅高度：660 nm a>(LFpVk}  
填充因子：0.75（底部） M g1E1kXe  
侧壁角度：±6° mc~d4<$`!  
n_1：1.46 g\OPidY  
n_2：2.08 ?SkYFa`u*  
)g(2xUk-y  
$DJp|
(8  
QjVP]C}p  
光栅#1——结果 ;.'2ZNt2  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 ]SFB_5Gb  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 %j^[%&pT  
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    # G0jMQ  
r>eOq[z  
光栅#2——参数 'dDd9  
假设光栅为矩形。 q{[}*%  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 6~ev5SD;f  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ac p-4g+j  
光栅周期：250 nm s>9w+|6Ji  
光栅高度：490 nm .ss/E  
填充因子：0.5 B!jT@b{  
n_1：1.46 W+Z] Y  
n_2：2.08 vbXuT$  
X4
8Q{E+  
MR:Co4(  
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光栅#2——结果 .-k\Q}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。 hvnZ 2x.?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。 Sx5r u?$.  
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