[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。 #{|
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任务说明 vAo|o*  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 KfMaVU=4P  
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。 =YeI,KbA)  
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： cO/.(KBF  
a$h zG-  
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。 \C;F5AO  
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： S9@)4|3C|p  
*OMW" NZ;  
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+d4&x  
?)'+l   
光栅结构参数 <[<]+r&*  
研究了一种矩形光栅结构。 h6C:`0o  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 -MT.qhx  
根据上述参数选择以下光栅参数： yZ57uz  
光栅周期：250 nm p/.[cH  
填充因子：0.5 ^+q4*X6VB  
光栅高度：200 nm {B+{2;Zk  
材料n_1：熔融石英（来自目录） zHW}A `Rz  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） {_1zIt|  
WbDD9ZS  
PvB-C
qc  
;mLbgiqQ J  
偏振态分析 ?&GV~DYxA  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 +q@g  
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。 R.B3  
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。 _^cFdP)8|  
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 R7-+@  
jbK<"T5  
模拟光栅的偏振态 g7nqe~`{  
Zi~-m]9U  
u[2B0a  
k&8&D  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： 3tIno!|  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 b<?A  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 qLh[BR  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 cpg+-Zf%  
4Hcds9y9  
Passilly等人更深入的光栅案例。 CPS1b  
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。 &[iunJv:eq  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 hhynB^o  
UO{3vry48  
@-F[3`HeA  
)+xHv  
光栅结构参数 p{k^)5CR/  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 li Hz5<|  
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。 [j^c&}0  
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。 #_}r)q  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 U>jLh57  
It8m]FN  
$2+(|VG4F  
光栅#1——参数 ]v{TSP^/  
假设侧壁倾斜为线性。 TScI_8c>  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 1l*O;J9By  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 JK@" &  
光栅周期：250 nm 8F*"z^vD=  
光栅高度：660 nm  
/i
 
填充因子：0.75（底部） 7y2-8eL  
侧壁角度：±6° dN)!B!*aI  
n_1：1.46 .8K ~ h  
n_2：2.08 o#ajBOJ  
(fJ.o-LQ  
F;@A2WD  
cw)'vAE  
光栅#1——结果 4RYvI!
 
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 ~GZpAPg*  
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。 'E#;`}&Ah  
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   iAAlld1  
o}4J|@Hi|4  
光栅#2——参数 6*92I  
假设光栅为矩形。 vx&jI$t8  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 v%6mH6V  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 '7Aj0U(  
光栅周期：250 nm IFg(Ze~  
光栅高度：490 nm e//q`?
ys  
填充因子：0.5 3S_H hvB  
n_1：1.46 5QoU&Hv  
n_2：2.08 $6 A91|ZSQ  
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光栅#2——结果 HLnizE  
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。 E5y\t_H  
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。 Ao/KB_4f*Q  
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