[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。 9h8G2J o  
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任务说明 { L5m`-x  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 =[&Jxy>Y  
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。 p\K5B,  
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： X1"nq]chGy  
S0`*  
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。 5Fl|=G+3@g  
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： y(A"g3^=  
W+E2({  
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。 K0]Wb=v  
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光栅结构参数 "oQ@.]-#  
研究了一种矩形光栅结构。 jI%yi-<;  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 vY6
|V$  
根据上述参数选择以下光栅参数： ~nQb;Bdh%  
光栅周期：250 nm r[x7?cXsW  
填充因子：0.5 ?)&TewP  
光栅高度：200 nm sMx\WTyz  
材料n_1：熔融石英（来自目录） XN@5TZoaW  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 92i#It}-/  
va0 a4s1O  
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?:E;C<Ar  
偏振态分析 [g? NU]  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 w#XJ!f6*_9  
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。 !ktr|9Bl  
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。 jv ";?*I6.  
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模拟光栅的偏振态 =Z
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： e/6oC~#]  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 ;p/@tr9  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 FD<~?-  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 ?=,tcN  

F2&KTK  
Passilly等人更深入的光栅案例。 }\W3a_,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。 G9 !1Wz
s  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 #L"h>,b  
vv u((b  
xASjw?  
Wq4?`{  
光栅结构参数 pnD#RvmW2e  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 #ua#$&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。 SG~R!kN}Q  
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。 iG;6e
~p  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 C8?/$1|RL  
[8"nRlXH  
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光栅#1——参数 V
bN]z:  
假设侧壁倾斜为线性。 G~JQcJFj  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 O/Fzw^  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 JwO+Dd  
光栅周期：250 nm N5_v}<CN  
光栅高度：660 nm b7$?'neH/.  
填充因子：0.75（底部） /<})+=>6f  
侧壁角度：±6° ,YoIn  
n_1：1.46 i@2?5U>h  
n_2：2.08 ':Te#S  
'j.{o  
k: {$M yK  
u@o3p*bQ  
光栅#1——结果 a7+BAma<  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 AOTI&v  
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。 -Xj+7}4  
A`@we  
   (Yx rZ_F'b  
tDi<n}  
光栅#2——参数 39OZZaWL  
假设光栅为矩形。 NE(6`Wq`  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 #i~.wQ$1  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ]Z~H9!%t  
光栅周期：250 nm fD!O aK  
光栅高度：490 nm 4Ld0AApncy  
填充因子：0.5
mFvw s  
n_1：1.46 _-EHG  
n_2：2.08 ?vZ&C
B  
7c+u+Yet  
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光栅#2——结果 g
SP|;Gy  
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。 6OVAsmE  
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。 m86w{b$8  
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