[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。 axiP~t2  
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任务说明 -f%J_`  
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JcI~8;Z@Z~  
简要介绍衍射效率与偏振理论 "5$2b>_UE  
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。 N/
eFwv.Er  
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： e4Jx%v?_P  
OC_i,  
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。 \Qe`>nA  
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： JCZ5q9b  
{~~'

 
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。 Q`(.Blgm;  
oD
7^9=#  
光栅结构参数 0^z
p*u  
研究了一种矩形光栅结构。 bRK[u\,  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 eR:!1z_h  
根据上述参数选择以下光栅参数： D=!5l4  
光栅周期：250 nm 3
^p;'7x  
填充因子：0.5 mpDQhD[n  
光栅高度：200 nm #(Ezt% ^  
材料n_1：熔融石英（来自目录） 'n4 iW  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） S"Mm_<A$@  
];au! _o  
J+0T8 ?A  
dpI! {'"M  
偏振态分析 )w&k&TY4H  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 >r5s>A[YC  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 zUd{9B$  
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。 uUI@!)@2  
" )/febBS  
guWX$C-+1  
R}Z2rbt  
模拟光栅的偏振态 i[a1ij=  
!Di*y$`}b  
>p@v'h/Cr  
V[r1bF  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： ;`-@L  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 t{Xf3.  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 \XT~5N6  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 29AWg(9?aS  
P`!31P#]L  
Passilly等人更深入的光栅案例。 :x/L.Bz  
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。 eJtfQ@?  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 s2Hx
?~  
g|PRk9  
hTK6N  
%SlF7$  
光栅结构参数 *Z C$DW!-  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 v\
b@;H`  
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。 ju{\7X5
  
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。 a>XlkkX  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 c6Z\ecH9  
:ZP`Y%dt'
 
"fX9bh^  
光栅#1——参数 $@Fvl-lK  
假设侧壁倾斜为线性。 z]O,Vqpl?  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 NoG`J$D  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 H_<hZUB  
光栅周期：250 nm GtSvb6UNn  
光栅高度：660 nm z9)I@P"  
填充因子：0.75（底部） >,s.!
vpK  
侧壁角度：±6° l&4+v.zr  
n_1：1.46 !$5.\D  
n_2：2.08 [
 bB   
!%s&GD8&l  
_k2*2db   
@#= ail  
光栅#1——结果 wc.T;(  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 :Mq-4U.e  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 ppu WcGo  
A,'JmF$d  
   qe"t0w|U?  
&]mZp&  
光栅#2——参数 t
V5Uz&:b  
假设光栅为矩形。 FSn&N2[D  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 h8me.=S&  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 g(Dr/D  
光栅周期：250 nm }HC6m{vH(  
光栅高度：490 nm DsZBhjCB  
填充因子：0.5 C/L+gU&  
n_1：1.46 bQFMg41*w7  
n_2：2.08 3Sb'){.MT+  
fXJbC+  
NiCB.a  
Bw;LGEHi|  
光栅#2——结果 hwR_<'!  
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。 {j{H@rHuy  
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。 @CJ`T&  
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