[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。 3p+V~n.+  
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任务说明 v3*y43  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 (yJY/|  
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。 ~cf*Oq  
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： 0I v(ioB=  
*+i1m`6Q  
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。 3 P=I)q  
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： t6,bA1*5y  
JI3x^[(Z  
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。 ?lPn{oB9"  
7Mj:bm&9  
光栅结构参数 ,<CFjtelO  
研究了一种矩形光栅结构。 /!i`K{  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 YAdk3y~pL  
根据上述参数选择以下光栅参数： k4E2OyCFoJ  
光栅周期：250 nm Vsj1!}X:  
填充因子：0.5 i8h^~d2"  
光栅高度：200 nm '=WPi_Z5:C  
材料n_1：熔融石英（来自目录） Bs3M7zRG  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） @zCp/fo3  
$eq*@5B  
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nb~592u  
偏振态分析 5r` x\  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 '% if< /  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 +^cjdH*  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 A"}Ib'  
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模拟光栅的偏振态  ?8/T#ox  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： <~Oy3#{  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 Yh["IhjR  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 lD#S:HX  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 "(YfvO+  
1wg#4h43l  
Passilly等人更深入的光栅案例。
,Dy9-o  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 8~}~d}wW  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 eyzXHS*s;L  
VZ]}9k  
j0~dJ#  
0JXXJ:dB  
光栅结构参数 7$JOIsM  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 .O&[9`"'  
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。 }3/|;0j$  
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。 9 >"}||))  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 O9P4r*prA  
4g)$(5jI}  
YM,UM>  
光栅#1——参数 lyzM?lK-  
假设侧壁倾斜为线性。 +&4@HHU{G  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 rM`z2*7%d  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 2@Zw#2|
]  
光栅周期：250 nm RDOV+2K  
光栅高度：660 nm ~[Z(6yX  
填充因子：0.75（底部） hiEosI C  
侧壁角度：±6° n+1`y8dy  
n_1：1.46 v@,`(\Ca'  
n_2：2.08 i
3vg7V.  
E^B3MyS^^  
RN2z/FUf  
%RIlu[J  
光栅#1——结果 w$0*5n>)  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 (7C$'T-ZK  
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。 |)OC1=As  
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gl$ n  
   b(~#CHg  
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)wrP  
光栅#2——参数 JYnyo$m/  
假设光栅为矩形。  N8)]d  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 c27Zh=;Tj  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 t9r R>Y9  
光栅周期：250 nm v.53fx  
光栅高度：490 nm ?L"x>$  
填充因子：0.5 2S//5@~_m  
n_1：1.46 gNC'kCx0c  
n_2：2.08 %3yrX>Js
 
+4F; m_G6  
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光栅#2——结果 `('NH]^  
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。 P! P` MX  
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。 c~={A  
   JyePI:B&)j  
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