[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。 VgXT4gO!  
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任务说明 uB
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简要介绍衍射效率与偏振理论 h$`m0-'  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 bMc
[0  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： #L!`n)J"  
,K}"o~z  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 A v>v\ :.>  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： ROTKK8:+:  
<UO[*_,\  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 l7T?Yx j  
2gK]w$H7!  
光栅结构参数 .^A4w;jPU  
研究了一种矩形光栅结构。 &V axv$v}  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 rEp\ld  
根据上述参数选择以下光栅参数： [H\0 '  
光栅周期：250 nm 9 D.
wW  
填充因子：0.5 w|G7h=  
光栅高度：200 nm /D9#v1b  
材料n_1：熔融石英（来自目录） nL^7t7mp  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 38&K"  
}f;TG:6  
=C$"e4%Be  
H5d@TB,`  
偏振态分析 7@ONCG  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 nnhI]#,a{  
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。 uDG>m7(}/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。 b'^<0c  
U= GJuixy  
5I[:.o0  

b&E"r*i|  
模拟光栅的偏振态 eptw)S-j  
D@X"1X!F`G  
T] H'l  
[}Xw/@Uc;  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： N:64Gko"K  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 +(Hp ".gU  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 JO]?u(m01  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 _t]Q*i0p  
rgXX,+c
O  
Passilly等人更深入的光栅案例。 1h`F*:nva  
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。 4#W$5_Ny  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 lrkgsv6  
/AX)n:,  
"MzBy)4Q  
a"
4X7 D+  
光栅结构参数 jK\kASwG  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 30w(uF  
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。 .(p_YjIA  
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。 i0\]^F  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 )Dv;,t  
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6E^m*la%  
光栅#1——参数 Z
! /_H($  
假设侧壁倾斜为线性。 #Q_Scxf  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 Z8h;3Ek  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。  \v:Z;EbX  
光栅周期：250 nm =saRh)EM  
光栅高度：660 nm n|.eL8lX.<  
填充因子：0.75（底部） $&, KZ>  
侧壁角度：±6° +`S_Gy  
n_1：1.46 7ko}X,aC  
n_2：2.08 LhF;A~L  
_W Hi<
,-  
=<(6yu_  
qOD^P  
光栅#1——结果 (@BB@G  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 DcRoW  
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。 M?sTz@tqq  
\ D>!&  
   Rbgy?8#9  
mm!JNb9(  
光栅#2——参数 p+nB@fN/  
假设光栅为矩形。 =mwAbh)[7n  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 P_Gu~B
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矩形光栅足以表示这种光栅结构。 $WW7,  
光栅周期：250 nm B&!>& Rbx  
光栅高度：490 nm {P?p*2J'  
填充因子：0.5 [ x.]  
n_1：1.46 Y!c7P,cZ+3  
n_2：2.08 n|.>41bJ  
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?:vB_@  
#K-O<:s=y  
光栅#2——结果 Lrt~Q:z2u  
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。 rV%;d[LB  
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。 qpf|.m  
   N-<,wUxf  
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