[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。 ,_jC$  
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.2.qR,"j  
 PWH^=K
 
任务说明 1<.5ub*i4  
 ?CP2AK  
mN*?%t  
ESTM$k}X  
简要介绍衍射效率与偏振理论 A%u_&a}  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 7(bQ}mHl\  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： O0T/#<Cn!  
}#1/fok  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 yb2}_k.JG  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： :^i^0dC  
jV
O{$j  
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。 Y9Z]i$qS&k  
d(-EcY>?  
光栅结构参数 !R'g59g  
研究了一种矩形光栅结构。 VT\"q1)p  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 ?>$l  
根据上述参数选择以下光栅参数： 6cz/n8Mg  
光栅周期：250 nm +D&Pp0xe  
填充因子：0.5 >|g?wC}V;  
光栅高度：200 nm a~PK pw2%  
材料n_1：熔融石英（来自目录） *nC(-(r:J`  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） j+rG7z){K  
ml6u1+v5  
WBr59@V  
GIyF81KR 3  
偏振态分析 Vi*e@IP/  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 -TO\'^][X  
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。 [;A[.&6  
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。 :nA.j"@  
!4(zp;WY^  
=-"c*^$]  
dY(;]sxFr  
模拟光栅的偏振态 .fAv*pUzU  
aC%&U4OS  
r)^
vO+3u  
kV;fD$iW;  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： k*?I>%^6#T  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 c!#:E`  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 KC`q#&dt  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 G2Vv i[c  
kD5!}+y  
Passilly等人更深入的光栅案例。 I_1e?\  
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。 rHjq1-t  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 piy`zc-yu  
*=AqM14 @  
>w+HHs/$wK  
30>3 !Xqa
 
光栅结构参数 #P<N^[m  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 8NBT|N~N  
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。 CVNj-&vj  
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。 S35~Cp  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 \xv;sl$f  
e:'?*BYVg3  

XI<L;  
光栅#1——参数 8[vc?+>&  
假设侧壁倾斜为线性。 R:X0'zeRr  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 f>`dF?^6  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 #@HF<'H}mu  
光栅周期：250 nm i4JqT\q  
光栅高度：660 nm V!v:]E  
填充因子：0.75（底部） ':{>a28=  
侧壁角度：±6° /!h;c$  
n_1：1.46 NIdZ  
n_2：2.08 WOzf]3Xcj  
[AMAa]^  
>NYW{(j  
[e[<p\]  
光栅#1——结果 BTgG4F/)  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 I[)%,jd  
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。 KlRr8G!Z  
;X*cCb`h  
   '3zc|eJt&  
P3$Q&^?  
光栅#2——参数 8J$|NYv_b  
假设光栅为矩形。 1`ayc|9BR  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 PB;eHy  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 1-lu\"H`  
光栅周期：250 nm %_!bRo  
光栅高度：490 nm UMAgA!s  
填充因子：0.5 -f*P nxg  
n_1：1.46 _ODbY;M  
n_2：2.08 _S>JKz  
QQWadVQo  
lpz2 m\  
'Ut7{rZ5  
光栅#2——结果 0lhVqy}:}o  
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。 89r DyRJ;  
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。 /p8dZ
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