[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。 Kn9,N@bU_  
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任务说明 c$'Uf
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L3~E*\cV  
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K~WwV8c9;  
简要介绍衍射效率与偏振理论  U\~[  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 hTn }AsfLY  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： 9aC>gye!  
t>v']a +k  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 /a
Jl0GL4!  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： i9)y|  
4p~:(U[q  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 %GS)9{T&  
MU&5&)m  
光栅结构参数 I>-jKSkwc  
研究了一种矩形光栅结构。 Ec6{?\  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 1|cmmUM-'v  
根据上述参数选择以下光栅参数： Gf'V68,l$  
光栅周期：250 nm ]@ [=FK^  
填充因子：0.5 ^J~}KOH  
光栅高度：200 nm Qzh:*O  
材料n_1：熔融石英（来自目录） 6<t\KMd  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 1 )j%]zd2  
j`'=K_+nU  
W#y)ukRv  
oaBfq8,;  
偏振态分析 +uwjZN'9a  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。
d*>M<6b-  
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。 ($W9 ?
  
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。 ak;Z;  
p-;]O~^  
l1wxs@](  
O.K8$  
模拟光栅的偏振态 cdIy[ 1  
!P92e1  
u%[*;@;9+  
T)Nis~  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： JrL/LGY  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 H[Pb Wy:  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 G(0bulq  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 (%fGS
.TR  
4 |5ekwk  
Passilly等人更深入的光栅案例。 P7y[9|^  
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。 @xkM|N?  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 Ol%*3To  
7_Q86o  
{G{@bUG]p  
Zz3#Kt5t3  
光栅结构参数 t=e0z^2i+  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 dnaf>G3  
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。 7T2W%JT-,  
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。 #i]@"R  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 UZAWh R  
[ $"iO#oO  
&'](T9kg=  
光栅#1——参数 l9L;Tjj  
假设侧壁倾斜为线性。 v S+~4Q41  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 .$OInh  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 #U_u~7?H$  
光栅周期：250 nm IkZ_N#m  
光栅高度：660 nm ~fU
Smc  
填充因子：0.75（底部） P`%ppkzV6  
侧壁角度：±6° BA>0 +  
n_1：1.46 lb6s3b  
n_2：2.08 G[^G~U\+!  
mX1oRhf  
2b"5/$|6  
!KlSw,&=.6  
光栅#1——结果 =J'?>-B  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 ^#Y6 E  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 jh?7+(Cw  
Y}#^n7*w~  
   P3 Evv]sB@  
s+w<!`-  
光栅#2——参数 h9-Ky@X`  
假设光栅为矩形。 G_<
[sMC8  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 J-f0  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 z0UO<Y?9  
光栅周期：250 nm E0hp%:  
光栅高度：490 nm 7r<>^j'  
填充因子：0.5 Rj&7|z  
n_1：1.46 : [9'nR  
n_2：2.08 ppD~xg]  
g|HrhUT;  
y,>m#6hx#  
2&d&$Jg  
光栅#2——结果 c\'pA^m6  
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。 &zd7t6  
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。 &;skB.  
   Y_B 4s-  
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