[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。 QxW+|Gt._  
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任务说明 eGQ4aQhi  
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p35)K5V  
":+d7xR?o  
简要介绍衍射效率与偏振理论 xwsl$Rj  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 el5Pe{j'  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： yT OZa-  
Wtu-g**KN  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 
Td|,3 n  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： V z  
W gyRK2#!  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 @Un/,-ck  
X~VI}dJ  
光栅结构参数 0O'M^[=d.8  
研究了一种矩形光栅结构。 -x6_HibbD  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 A94:(z;{  
根据上述参数选择以下光栅参数： :|5 m"X\  
光栅周期：250 nm NqF*hat  
填充因子：0.5 5:gpynE|  
光栅高度：200 nm I52nQCXi  
材料n_1：熔融石英（来自目录） N:3=G`Ws  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） +$ djX=3  
YC%xW*  
]p+KN>1e  
4ZUtK/i+r  
偏振态分析 ~_;.ZZ-H]  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 
:K~@JlJd  
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。 *sp")h#Z  
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。 _)vX_gCi  
zZ-/S~l  
FYik}
wH]  
V#,|#2otZ  
模拟光栅的偏振态 OcF_x/#  
a+z>pV|  
r:o9:w:  
X n0HJ^
"_  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： $G0e1)D  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 Nz{q
u}dt  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 :fRta[  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 k"[AV2UW1  
4V[(RXc/  
Passilly等人更深入的光栅案例。 w;$elXP|  
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。 rJf{YUZe  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 _^{RtP#=  
tC1'IE-h  
IG}yGGn  
T@vE@D  
光栅结构参数 gF9GU5T:  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 s'tXb=!HO  
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。 ?-&k?I  
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。 "(H%m9K  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 h{HpI 0q4  
G@
D8[  
.3+8Ip#z  
光栅#1——参数 o}waJN`yI  
假设侧壁倾斜为线性。 }@$CS5w  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 a>#$&&oQ0  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 5<GeAW8ns]  
光栅周期：250 nm #bGYHN  
光栅高度：660 nm L6qK3xa}  
填充因子：0.75（底部） hUi5~;Q5Fi  
侧壁角度：±6° +{6:]  
n_1：1.46 LmsPS.It  
n_2：2.08 8$JJI({bH  
1F0];{a  
{1UU `d  
Z<C39s  
光栅#1——结果 :O,,fJ<x.O  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 #
WDpiV7B  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 -=:tlH n  
n~>b}DY  
   CO ZfR~}  
,,EG"Um6  
光栅#2——参数 mOjjw_3gq  
假设光栅为矩形。 !eb{#9S*  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ~ c~j  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。  5B1,,8P  
光栅周期：250 nm p8s%bPjK  
光栅高度：490 nm .d#Hh&jj  
填充因子：0.5 A&KY7[<AC{  
n_1：1.46 Bd>ATc+580  
n_2：2.08 Q.8^F  
=fy.'+  
TgRG6?#^l  
H-WNu+  
光栅#2——结果 \Ym$to  
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。 02^\np  
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。 rP6k}  
   Cx) N;x  
v+C D{Tc  
BlqfST#6  

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