[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。 51lN,VVD  
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5U+a{oA  
t&99ZdE  
任务说明 C%y!)v_x  
T=n)ea A  
*nh.&Mv|  
RY]Vo8  
简要介绍衍射效率与偏振理论 t*'U|K4L/  
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。 R8<'m
 
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： 4q7hL  
ayvHS&h  
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。 '6&a8&:  
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： ~9KxvQzt  
1SYBq,[])  
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。 L&2 Zn{#`  
2PSt*(  
光栅结构参数 XV> )[Nd\H  
研究了一种矩形光栅结构。 (ug^2WG Yq  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 8P#jC$<  
根据上述参数选择以下光栅参数： atA:v3"  
光栅周期：250 nm Q7-d]xJ^  
填充因子：0.5 BRg(h3 ED  
光栅高度：200 nm xEfz AJ5&  
材料n_1：熔融石英（来自目录） ucV
n 
`  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） uqg#(ADy?R  
BCK0fk~  
}dt7n65  
;^K4
kK&f  
偏振态分析 }L1-2  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 #nS  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 "}jY;d#n  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 ^Q'^9M2)  
.;&1"b8G  
hnbF}AD  
(3>Z NTm  
模拟光栅的偏振态 5#SD$
^  
{IlX@qWr  
+80yyn#  
s}pn5zMp:8  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： SqF9#&F  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 H[a1n' "<:  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 eviv,  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 fq"<=  
rz@;Zn  
Passilly等人更深入的光栅案例。 Jt3]'Nr04@  
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。 [aK7v{Wu  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 8 )w75+&  
7Q(5Nlfcz  
(KF=v31_m  
oq<n5  
光栅结构参数 Y^Olcz  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 &!lGx7zf  
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* to%N  
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。 >%~%O`+  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 ?1z." &  
`]{/(pIgW;  
Q]q`+
Z65  
光栅#1——参数 l }i .  
假设侧壁倾斜为线性。 -|l^- Qf!  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 }BpCa6SAs  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 JDyP..Dt  
光栅周期：250 nm D-[`wCa,  
光栅高度：660 nm w1je|Oil  
填充因子：0.75（底部） |G5Me  
侧壁角度：±6° XC
GJ~  
n_1：1.46 xt%-<%s%f  
n_2：2.08 ItZqLUJm  
"Yo.]PU  
GJLlMi  
ib4shaN`  
光栅#1——结果 /idQfff  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 gsqpQq7  
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。 S9$*w!W  
b-1cA1#_cP  
   Hvn{aLa.  
zF6]2Y?k%  
光栅#2——参数 eRK kHd-  
假设光栅为矩形。 O;u&>BMk  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 q&h&GZ  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 rI\G&OqpP  
光栅周期：250 nm o2FQ/EIE  
光栅高度：490 nm s/,wyxKd  
填充因子：0.5 R).?lnS  
n_1：1.46 liW0v!jBo  
n_2：2.08 p?mQ\O8F  
a)+;<GZ~  
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光栅#2——结果 R89;<,Ie  
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。 7j&iHL  
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。 `wJR^O!e  
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