[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。 >f*-9  
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任务说明 RE%25t|  
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D_)N!,i  
简要介绍衍射效率与偏振理论 7zcmv"`  
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。 l&Cy K#B:\  
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： %+: $uk[  
mTU[khEmL=  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 \`oP\|Z  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： VYw<8AEFY  
LFX[v   
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 Y~Z&h?H'}  
'(fzznRH  
光栅结构参数
qp{3I("_  
研究了一种矩形光栅结构。 ZuNUha&a  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 *bl|[(pP  
根据上述参数选择以下光栅参数： ,~G:>q$ad  
光栅周期：250 nm K +l-A>Ic  
填充因子：0.5 "UUoT  
光栅高度：200 nm ,:6.Gi)|  
材料n_1：熔融石英（来自目录） Sah!|9  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） u$rSM0CJ  
a^eR~efdu@  
O^DLp/vM  
2UeK%-~W?  
偏振态分析 OIY  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 kk$D:UQX
 
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。 qoAJcr2uN  
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。 4K0Fc^-  
IO{iQ-Mg  
-?L3"rxAP  

R@ MXwP  
模拟光栅的偏振态 sB=s .`9  
l(Y\@@t1  
!N74y%=M  
z0 J:"M  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： 30{+gYA  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 TeHxqWx  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 T!1Np'12zF  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 nn8uFISb  
ekCt1^5Y  
Passilly等人更深入的光栅案例。 G7k.YtW  
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。 :v%iF!+.P  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 I|tn7|*-A[  
{4B7a6
 
9Idgib&  
d(q2gd@  
光栅结构参数 0Ci:w|J  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 %:.IG.`d  
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。 nnuJY$O;M  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 6.M!WK{+  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 ^:2>I$
 
97n,^t2F\  
9=9R"X>L  
光栅#1——参数 fO}Y$y\q  
假设侧壁倾斜为线性。 uiq;{!dop  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 rW[7 _4  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 I@uin|X  
光栅周期：250 nm ksV^Y=]  
光栅高度：660 nm i)[~]D.EH8  
填充因子：0.75（底部） Z9UNp[0  
侧壁角度：±6° n:[LsbTk  
n_1：1.46 @O| lA  
n_2：2.08 x?2y^3<5  
4~e6z(  
}b/G{92  
$Hal]  
光栅#1——结果 f/pr  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 fYzZW  
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。 #4{9l SbU  
=%0r_#F%=  
   .]BJM?9  
2^fSC`!  
光栅#2——参数 ~c|{PZ9U  
假设光栅为矩形。 D1~3 3;  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 KTjf2/  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 L7B(abT9e  
光栅周期：250 nm PHqIfH[  
光栅高度：490 nm JDm7iJxc_  
填充因子：0.5 ' 4Kf  
n_1：1.46 xmwH~UWp  
n_2：2.08 htHnQ4Q  
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0BQ<a  
r8vF I6J  
光栅#2——结果 H:`
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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。 vDVE#Nm_  
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。 c{cJ>d 0  
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