[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。 9/5EyV  
&_Gu'A({J  
@<p9O0  
<kWNx.eci  
任务说明 1++Fs  
O}[){*GG=  
~*G}+Ur$2  
O u{|o0  
简要介绍衍射效率与偏振理论 .J9\Fr@  
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。 h,2?+}Fn  
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： Z ,98  
RS Vt

 
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。 O>arCr=H  
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： Oat #%  
8BM[c;-{g`  
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。 >tV:QP]Y  
-<q@0IYyi  
光栅结构参数 {Gr"oO`&"  
研究了一种矩形光栅结构。 ]4&B*
]j  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 yI*h"?7T  
根据上述参数选择以下光栅参数： G)y'exk  
光栅周期：250 nm Y@V6/D} 1  
填充因子：0.5 \AB*C_Ri  
光栅高度：200 nm +P"u1q*+p  
材料n_1：熔融石英（来自目录） e#{l  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） <e'l"3+9(  
yg@}j   
K/XUF#^B]  
^VlPnx8y=  
偏振态分析 [fXC ;c1  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 =`BPGfCb  
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。 ~d
j4Q eu  
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。 5%(xZ  6  
OL$^7FB  
+N!!Z2  
tM{U6k  
模拟光栅的偏振态 [$(/H
;  
Pr^p ^s  
p4{3H+y  
6dX l ny1H  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： i"C?6R
 
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 de?lO;8  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 DM@&=c  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 Z8_QKw>  
IpMZ{kJlv`  
Passilly等人更深入的光栅案例。 Y=N; Bj  
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。 k34!*(`q
  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 db.E-@W.OI  
B[Fuyy?  
O1K~]Nt  
{^n\ r^5  
光栅结构参数 )|zna{g\  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 -#?p16qz5  
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。 g?caE)  
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。 ?*8HZ1m#  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 O6pL )6d  
F DCHB~D  
R9z^=QKcH  
光栅#1——参数 (e;9,~u)  
假设侧壁倾斜为线性。 U)N_/  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 #D{//P|;  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 ?I`ru:iG  
光栅周期：250 nm ~:%rg H  
光栅高度：660 nm nC5  
填充因子：0.75（底部） &`'gO 9  
侧壁角度：±6° .1F^=C.w  
n_1：1.46 61J01(+|  
n_2：2.08 Ng} AEAFp  
Y Hv85y  
zoV-@<Eh  
I!;#Nk>  
光栅#1——结果 [T.BK:  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 ,SAS\!hsE  
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。 -vfV;+3  
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   /N ^%=G#  
a]465FY  
光栅#2——参数 u= K
?K  
假设光栅为矩形。 n8M/Y}mH  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 *s6MF{Ds  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 UP]J`\$o  
光栅周期：250 nm "l&sDh%Lk<  
光栅高度：490 nm <bf^'$l  
填充因子：0.5 .O'gD.|^N  
n_1：1.46 OwQ 9y<v  
n_2：2.08 d+|8({X]D8  
)(&g\  
h@z(yB j:0  
f#l/N%VoBZ  
光栅#2——结果 'B"kUh%3$5  
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。 ~`MGXd"o  
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。 9`)NFy?  
   
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