[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。 Zw{tuO7}K  
j!)p NZW.<  
mkA|gM[g7  
 O+j:L  
任务说明 fC|u  
sR.j~R  
wm71,R1  
9#6/c  
简要介绍衍射效率与偏振理论 MT0{hsuK9  
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。 gAP}KR#T  
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： H-w|JH>g  
Yk?q7xuT  
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。 cvfAa#tq>  
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： j}l8k@f  
]SgeZ07  
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。 eMzCAO  
qT @IY)e  
光栅结构参数 eov-"SJ
B  
研究了一种矩形光栅结构。 NkI:
  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 I9>*Yy5RNS  
根据上述参数选择以下光栅参数： yRkMR$5&  
光栅周期：250 nm 0g-ESf``{n  
填充因子：0.5 ^ni_%`Ag  
光栅高度：200 nm (=rv `1  
材料n_1：熔融石英（来自目录） J}CK|}  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） B,,d~\  
YYW70k:  
*rT(dp!Y  
Bnq\Gg  
偏振态分析 +~O{ UGB=  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 [CX?Tt  
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。 xS1|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。 s#ZH.z@J  
RC%r7K f  
9zd/5|W  
@x +#ZD(  
模拟光栅的偏振态 'qE  
mM>|fHGA  
\'*`te:{  
12dW:#[  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： ku8c
)  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 "~ stZ.  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 ~7'.{VrU  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 aS G2K0  
F9r*ZyNlx  
Passilly等人更深入的光栅案例。 P^W47 SO  
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。 =]"|x7'!  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 m28w4   
A8GlE  
oW6<7>1M7  
" SqKS,J  
光栅结构参数 y/eX(l<{  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 kH-b!  
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。 %nF\tVP3]  
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。 `wd*&vl  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 [HDO^6U  
vyGLn  
ZH_4'm!^g|  
光栅#1——参数 cLC7U?-  
假设侧壁倾斜为线性。 =A6O}0z  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 5N<v'6&=  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 rF3]AW(  
光栅周期：250 nm 1Z8oN3  
光栅高度：660 nm S'p`ECfVMA  
填充因子：0.75（底部） D
NBpIC5&6  
侧壁角度：±6° I]1Hi?A2  
n_1：1.46 Gi4dgMVei  
n_2：2.08 dvF48,kr  
Fxx2vTV4ag  
o;_bs~}y  
<OSvRWP)  
光栅#1——结果 w{x(YVSH  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 Y_hRL&u3W  
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。 $IZZ`Z]B  
% ul{nL:  
   R9G)X]  
G$uOk?R#5c  
光栅#2——参数 UVUO}B@[S  
假设光栅为矩形。 l{m~d!w`a  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 l0xFt ~l  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 >ImM~SR)  
光栅周期：250 nm B/kn&^z$|~  
光栅高度：490 nm WTs[Sud/  
填充因子：0.5 1?#9Kj{ql  
n_1：1.46 N@a'd0oTd  
n_2：2.08 BG0Mj2  
}_l -'t  
.ASwX  
rGGepd  
光栅#2——结果 e4%*I8 ^e  
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。 (H%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。 3N0X?* (x|  
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