[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。 4_P6P  
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r]0>A&,  
p%R+c  
任务说明 7NvnCs  
0`/CoP<U  
WF_v>g:g  
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>(K[  
简要介绍衍射效率与偏振理论 oFb~|>d  
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。 !]3kFWs  
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： [sNvCE$\]  
3#?53s  
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。 =w!2R QB  
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： !k Heslvi  
Hqtv`3g  
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。 sd9b9?qiu  
_+j#
.o>  
光栅结构参数 fg7  
研究了一种矩形光栅结构。 Jot7 L%,TB  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 =9h!K:,k  
根据上述参数选择以下光栅参数： K$l@0r ~k  
光栅周期：250 nm OZ33w-X<  
填充因子：0.5 d}y")q|F  
光栅高度：200 nm F9"Xu-g  
材料n_1：熔融石英（来自目录） I7W`\d)  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） aL*}@|JL"  
lMl'+ yy  
\Q^grX  
3Vbt(K  
偏振态分析 nu)YN1 *  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 W^7yh&@lU  
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。 .D*~U
I  
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。 ][KlEE>W2  
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zwU1(?]I{  
 Xr:s-
L  
模拟光栅的偏振态 xs&xcRR"  
dBwoAq`'  
/M JI^\CA  
*\@RBJGF  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： ftKL#9,s(  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 N/'8W9#6  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 +f%"O?  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 }g@ '^v  
w+r).PS}C  
Passilly等人更深入的光栅案例。 r\cY R}v  
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。 G[*z,2Kb>  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 x4/{XRQ  
6$0<&')Yb  
*VmX.  
6i%6u=um3  
光栅结构参数 Y9gw ('\w  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 p/88mMr  
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。 >28l9U  
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。 Z\]{{;%4b7  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 t|V<K^  
VdGVEDwz  
7{(UiQbf  
光栅#1——参数 L N Fe7<y  
假设侧壁倾斜为线性。 {%CW!Rc
 
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 U[|5:qWs
 
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 <R+?>kz6  
光栅周期：250 nm wJ
pb$;  
光栅高度：660 nm 6^t#sEff]  
填充因子：0.75（底部） IC5QH<.$C  
侧壁角度：±6° ?AD-n6  
n_1：1.46 $8i`h}AM  
n_2：2.08 <ch}]-_  
;Ce?f=4  
oH+PlL  
#HH[D;z  
光栅#1——结果 k*n~&y:O  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 FwlDP  
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。 >{q+MWK  
Y
,GlAr s4  
   2J{vfF  
s+v9H10R
 
光栅#2——参数 e"wzb< b  
假设光栅为矩形。 MZ&.{SY7  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 E0Q6Ryn  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 Im\ ~x~{  
光栅周期：250 nm ]Q ]y*  
光栅高度：490 nm C3Q #[  
填充因子：0.5 2I}+AW!!=  
n_1：1.46 (*P`  
n_2：2.08 ?4U4o<   
E"_{S.Wc  
OblHN*  
eOiH7{OA,  
光栅#2——结果 9#9bm  
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。 :d9GkC  
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。 p0 X%^A,4  
   c5$DHT@N"  
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