[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。 yZd +^QN  
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任务说明 D@
C-5rmq  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 g!cUF+  
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。 c_\YBe]wJ  
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： 9s_vL9u  
L9-h;] x!  
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。 2*rH?dz8E  
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： g"Ljm7  
Qg^cf<X{i  
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。 k-Q%.o  
z+ s6)Ad  
光栅结构参数 KuWWUjCE  
研究了一种矩形光栅结构。 Yaj0;Lo[wt  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 0fc/wfv<  
根据上述参数选择以下光栅参数： h1:aKm!  
光栅周期：250 nm "ZHW2l Mf  
填充因子：0.5 Cv }Qwy  
光栅高度：200 nm ktI/3Mb@  
材料n_1：熔融石英（来自目录） Xf0M:\w=M  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） - *F(7$  
YNYx>Ue  
,PlO8;5]  
4!$s}V=
6  
偏振态分析 NxSu3e~PS  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 :z}MIuf  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 %509\;el  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 I[b}4M6E  
#G|qD  
Tskq)NU  
)q0.0<f  
模拟光栅的偏振态 ur*T%b9&  
5'0xz.)!  
U ?'vXa  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： |M8WyW  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 d\%WgH  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 &GNxo$CG  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 jlp:lX  
xAafm<L@!  
Passilly等人更深入的光栅案例。 aqYa{hXio  
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。 >*@y8u*  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 f?oa"  
c;{Q,"9U  
N+zKr/  
;WgJ<&33  
光栅结构参数 ub7zA!%  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 DKfE.p)  
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。 *"WDb|PBb  
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。 cKN$ =gd  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 vgD {qg@  
[v$0[IuY,  
D,;\o7V  
光栅#1——参数 !E,A7s  
假设侧壁倾斜为线性。 mK[)mC _8  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 994`ua+  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 M(RZ/x  
光栅周期：250 nm OS4q5;1#  
光栅高度：660 nm \ W?R  
填充因子：0.75（底部） e?`5>& Up  
侧壁角度：±6° Ob}?zl@  
n_1：1.46 4%2~Wi8  
n_2：2.08 =1O
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8i|w(5m;  
v$(lZa1  
\ {qI4=  
光栅#1——结果 u\LiSGePN  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 GM<BO8Y.  
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。 5nTY ?<x`k  
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   &ZghMq~  
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光栅#2——参数 CNQC^d\ h  
假设光栅为矩形。 pWPIJ>2G:  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 Ct2j ZqCDo  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 zUkN 0  
光栅周期：250 nm $={:r/R`i  
光栅高度：490 nm lY~4'8^  
填充因子：0.5 ymegr(9&K  
n_1：1.46 Dq36p${\W  
n_2：2.08 "jTKSgv+q5  
/&CmO>^e  
Dfps gY)/?  
~/8M 3k/  
光栅#2——结果 $U$V?xuE  
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 Ggx  
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。 <'fdkW  
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