[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。 UU(Pg{DA6  
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任务说明 XzI
C~}  
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WL(Y1>|j  
简要介绍衍射效率与偏振理论 =p5]r:9W  
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。 ,){#
J"W  
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： @H$8;CRM  
4r83;3WXs  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 u[KxI9Q  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： sMAj?]hI$  
FO>!T@0G  
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。 Vo^J2[U  
0'f\>4B  
光栅结构参数 S]=.p-Am  
研究了一种矩形光栅结构。 I*j~5fsS'  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 a~@f,bw  
根据上述参数选择以下光栅参数： 
Y5 ;a  
光栅周期：250 nm >&fD:y'&  
填充因子：0.5 oMemF3M  
光栅高度：200 nm TDZ==<C  
材料n_1：熔融石英（来自目录） y$nI?:d  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） Z,AY<
[/C  

8.jf6 
 
AvZ5?rN$  
UAz^P6iQ`~  
偏振态分析 SIm1fC  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 &/Gn
!J;1  
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。 qLX<[UL  
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。 jP/Vqe%%8  
AH/^v;-  
2o9B >f&g  
m;4ti9  
模拟光栅的偏振态
u4T$  
eD(5+b

m  
s* u1n+Zq  
#J3}H  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： dZIbajs'  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 e(0cz6  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 [*It' J^  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 NwOV2E6@OW  
-z. wAp  
Passilly等人更深入的光栅案例。 {5  pK8  
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。 Vb#a ,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。 ,<K+.7,)E  
6^J[SQ6P  
V,VL?J\  
qov<@FvE0  
光栅结构参数 Q5dqn"?  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 FXY>o>K%h  
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。 +\%]<YO  
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。 NTX0vQG  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 %U}6(~  
H;_Ce'oU(  
t\QLj&h}E  
光栅#1——参数 !nJl.Y$  
假设侧壁倾斜为线性。 nG5\vj,zB  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 j>\rs|^O  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 \$4z@`nY  
光栅周期：250 nm Hci>q`p#  
光栅高度：660 nm t@#5 G* _Q  
填充因子：0.75（底部） 8;"%x|iBoL  
侧壁角度：±6° ]smu~t0\  
n_1：1.46 IFr"IOr'l  
n_2：2.08 z}-R^"40  
; \co{_&D  
iJ*Wsp  
Bc
pbS%S  
光栅#1——结果  (t5y$bc  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 &I)tI^P}  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 PCgr`
($U  
ZBY}Mz$  
   C^'r>0  
K\B!tk  
光栅#2——参数 %YF /=l  
假设光栅为矩形。 s/J7z$NEU  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 @VOegf+N  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 FdnLxw  
光栅周期：250 nm @V^.eVM\R  
光栅高度：490 nm O"TVxP:  
填充因子：0.5 =Oh$pZRymu  
n_1：1.46 P%yL{  
n_2：2.08 Z|UVH  
6=JJ!`"<2  
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=z9,=rR4  
光栅#2——结果 ;}S_PnwC@  
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。 DH_~,tK9  
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。 {P?DkUO}  
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