[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。 yvKKE  
~^"s.Lsb  
vtf`+q  
DUu~s,A  
任务说明 tumYZ)nW  
7 [?]DyOf  
I-|1eR+3  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 CZ/:(sOJ  
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。 Q!}LtR$  
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： ^Jn=a9Q6Z  
EN2/3~syO-  
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。 -D,kL  
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： 5B+I
\f&  
P}bwEj  
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。 Gw}b8N6E  
zRF+D+  
光栅结构参数 H}&4#CQ'!  
研究了一种矩形光栅结构。 RB/;qdqR  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 a6.0$'  
根据上述参数选择以下光栅参数： '9q:gFO  
光栅周期：250 nm {,C
vWL  
填充因子：0.5 6I$:mH
Ehd  
光栅高度：200 nm GxcW^{;  
材料n_1：熔融石英（来自目录） ?$rHyI  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） m^ [VM&%  
"+KAYsVtU  
5QJ
FNE  
Z%O>|ozpq  
偏振态分析 !mRDzr7  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 )1S"D~j-  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 q|7$@H^*  
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。 &IgH]?t  
Nc[V kJ]  
SI@Yct]<g  
bR;Wf5  
模拟光栅的偏振态 CaqMLi%  
qz/d6-0"  
b&Go'C{p  
Y!L<& sl   
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： Wc-8j2M  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 Stxrgmu  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 66shr  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 `tZ`a  
"jG-)k`a  
Passilly等人更深入的光栅案例。 04cNi~@m  
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。 1brKs-z  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 dX:#KdK  
%G>V .d  
&C7HG^;W9  
rCdf*;  
光栅结构参数 1$
G'Kg/  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 G`r*)pdm  
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。 uA2-&smw  
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。 nH^RQ'19  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 $*i"rlJC  
5!)_"u3  
esVZ2_eL  
光栅#1——参数 d8Kxtg Y  
假设侧壁倾斜为线性。 /*yPy?  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 fKZgAISF  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 [e+$jsPl  
光栅周期：250 nm :Y;\1J<b1  
光栅高度：660 nm mjz<,s`D  
填充因子：0.75（底部） r 2L=gI  
侧壁角度：±6° GBsM?A:  
n_1：1.46 ;BM
m47<  
n_2：2.08 &BDdJwE  
Bpw<{U  
"G`8>1tO_  
+B0G[k7  
光栅#1——结果 !HP/`R  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 {<3>^ 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。 Yi+~}YP.E(  
!p~K;p,  
   8fwM)DKS  
#Qp.O@e  
光栅#2——参数 M:Aik&  
假设光栅为矩形。 W=k%aB?p  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 /Aq):T T  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ?hQ,'M2  
光栅周期：250 nm GxIw4m9  
光栅高度：490 nm [d_sd  
填充因子：0.5 GI:$(<  
n_1：1.46 cOr@dUSL  
n_2：2.08 Z|kMoB  
8?7gyp!k_f  
=':,oz^|  
q;V1fogqI)  
光栅#2——结果 4U*
uH  
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。 HjFY>(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。 k5@_
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   tyLR_@i%%  
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