[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。 :Ni#XZ{F-/  
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任务说明 ,j>FCj>  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 6 8n ;#-X  
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。 93D
}0kp  
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： &8f/6dq
 
qJs_ahy(  
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。 Hd;NvNS  
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： 8F<|.V;  
C3^3<  
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。 6X9$T11Vc  
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)1s  
光栅结构参数 DM v;\E~D  
研究了一种矩形光栅结构。 +}at#%1@  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 lIEZ=CEmY  
根据上述参数选择以下光栅参数： jFg19C{=X  
光栅周期：250 nm vh&~Y].W Y  
填充因子：0.5 =9QyOh  
光栅高度：200 nm o=94H7@  
材料n_1：熔融石英（来自目录） Has}oe[  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） ~]no7O4  
L"vk ^>E6  
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偏振态分析 J V}
7c$_  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 m4W(h6  
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。 <(TAA15Xol  
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!6r&<s=E  
6'mZM=d  
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模拟光栅的偏振态 *`qI<]!  
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?>ZrdfTwz,  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： f%_$RdU  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 a}` M[%d7  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 c)Ef]E\  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 ! 1?u0  
'HfI~wN  
Passilly等人更深入的光栅案例。 D`Vb3aNB=L  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 ":T"Y;  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 n::i$ZUdK  
GCQOjqiR  
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}Gb^%1%M  
光栅结构参数  n}b/9  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 hx%UZ<a  
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。 (/&ht-~EL  
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。 SK/}bZ;f  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 cuG;1,?b  
sX>|Y3S\U  
~ cu+QR)  
光栅#1——参数 p}GTOJT}  
假设侧壁倾斜为线性。 OmK0-fa/  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ^cW{%R>XY  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 c\P}ZQ  
光栅周期：250 nm uVZm9Sp  
光栅高度：660 nm +LWgby4q  
填充因子：0.75（底部） 4K;0.W;~|  
侧壁角度：±6° biV|W@JM  
n_1：1.46 "lA$;\&  
n_2：2.08 <;+QK=f  
23;\l   
T3)m{gv0`  
\sVzBHy d  
光栅#1——结果 =&4eW#{LuH  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 ?~}8^~3  
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。 W^:g_  
A}pe>ja  
   9<!??'@f  
7S&O{Q7)  
光栅#2——参数 =5pwNi_S  
假设光栅为矩形。 J{EK}'  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 \FO 4A  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 uWXxK"J.  
光栅周期：250 nm kmfz.:j{  
光栅高度：490 nm 
L<<v   
填充因子：0.5 eBECY(QMQ  
n_1：1.46 K}S=f\Q]  
n_2：2.08 TSL/zTLDJ  
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光栅#2——结果 Tc;BE  
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。 h2]GV-  
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。 
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