[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="i'nYp  
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任务说明 w}pFa76rm  

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简要介绍衍射效率与偏振理论 <#ujm fD  
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。 6sl*Ko[  
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： <2w@5qL  
]J)WcM:  
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。 pdsjX)O+f  
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： Gk2\B]
{  
BuI&kU,WY  
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。 tsq]QTA*  
b#|M-DmT  
光栅结构参数 E,5jY  
研究了一种矩形光栅结构。 Ps0'WRJnx  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 |{]\n/M  
根据上述参数选择以下光栅参数： ]t]s/;9]K  
光栅周期：250 nm &ZFsK c#  
填充因子：0.5 DGdSu6s$  
光栅高度：200 nm }NDw3{zn  
材料n_1：熔融石英（来自目录） M~;Ww-./  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） ?f[#O&#  
d$g-u8  
oUR'gc :  
G_=`&i"4  
偏振态分析 /r Zj=  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 ^_KHw
 
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。 *nU7v3D  
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。 U$6N-q  
ZeF PwW  
Ix !O&_6s  
s$J0^8Q~i  
模拟光栅的偏振态 PMjqcdBzm  
8vK Z;  
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v  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： pUZe.S>G  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 4dv+RRpGOv  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 W1M<6T.{7  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 %O>ehIerD  
eiI}:5~ /g  
Passilly等人更深入的光栅案例。 \kZxys!4  
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。 [GZ%K`wx  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 vL{sk|2&  
(}vi"mCeW  
M?x/C2|  
"zL<:TQ"  
光栅结构参数 ?8fa/e  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 ` *x;&.&v  
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。 mu0
4TPj  
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。 |Spy |,/  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 =K~<& l8
 
B<J}YN  
su>GeJiPW  
光栅#1——参数 r
q
Dre`m  
假设侧壁倾斜为线性。 kJq8"Klg  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 y[oc^Zuo
 
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 ".onev^(  
光栅周期：250 nm [>Z~&cm  
光栅高度：660 nm a,x-akZWf  
填充因子：0.75（底部） u)y6$  
侧壁角度：±6° lNowH0K!D  
n_1：1.46 j8WnXp_  
n_2：2.08 cU?A|'  
yNi/JM  
Z\D!'FX  
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5rp$AzT  
光栅#1——结果 ?<b
Byxa  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 Eb{Zm<TP  
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。 b=horvs/!  
Hly2{hokq  
   ='a[(C&Y  
w,> ceu/  
光栅#2——参数 2Kovvh y#  
假设光栅为矩形。 ,<0R'R  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 wZ6LiYiHl  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 vmm#UjwF3  
光栅周期：250 nm A}?n.MAX>  
光栅高度：490 nm [KMW*pA7  
填充因子：0.5 vx62u29m  
n_1：1.46 HWOs   
n_2：2.08 W0J d2*]  
w4P?2-kB  
CtJ*:wF  
Fy37I/#)r&  
光栅#2——结果 s(jixAf  
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。 `w';}sQA7  
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。 ?-%Q[W  
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