[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。 4(NI-|q0  
s*;~CH-[  
 f!<mI8H  
8wOr`ho B  
任务说明 Tn|reXc0e  
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.|K5b]na  
1D$k:|pP~  
简要介绍衍射效率与偏振理论 &nq[Vy0kO4  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 v'uQ'CiH  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： a[/p(O  
Cfi5r|S  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 shD$,! k  
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： -M4#dHR_!  
:?,&u,8  
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。 7W*OyH^  
2:]Sy4K{  
光栅结构参数 uo0(W3Q *  
研究了一种矩形光栅结构。 oq|K:<l  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 C]k\GlhB  
根据上述参数选择以下光栅参数： \%K6T)9  
光栅周期：250 nm 9wYbY* j  
填充因子：0.5 c;WS !.  
光栅高度：200 nm KP i@wl3  
材料n_1：熔融石英（来自目录） ixp%aRRP  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） ~DSle 3  
=<<\Uo  
TZ/u"' ZS  
&CS=*)>$  
偏振态分析 te`4*t  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 pG (8VteH  
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。 - na]P3 s  
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。 5\pizD/17  


=Ij;I~  
/<n_X:[)  
cD 1p5U  
模拟光栅的偏振态 3[c54S+(U  
, vR4x:W  
v>,XJ7P  
g}f@8;TY  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： Q<M>+U;t  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 )t|M)zJ  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 A;%fAI2Vr  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 2JbCYCTC  
6pH.sX$!_  
Passilly等人更深入的光栅案例。 J^
u{7K,  
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。 Wg#>2
)>  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 y+c+/L8  
v +7<}  
~;MRQE  
H#f FU  
光栅结构参数 5-MI7I@l  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 \=w|Zeu{l  
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。 \KTX{qI"f  
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。 VlKWWQj  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 N^O.P  
w|NLK
 
rK"x92P0  
光栅#1——参数 }4$UlTA'  
假设侧壁倾斜为线性。 VLRW,lR9O  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 d5h:py5  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 /WfpA\4S  
光栅周期：250 nm R+P1 +5  
光栅高度：660 nm SoCa_9*X  
填充因子：0.75（底部） xw`Pq6  
侧壁角度：±6° 7%C6gU!r  
n_1：1.46 h]I ^%7  
n_2：2.08 hivWQ$6%  
}LOAT$]XI  
E<0Y;tR  
V4_ZBeWA  
光栅#1——结果
cZA l.}/  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 *!vwW T  
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。 6m?}oMz  
oH$4K8j  
  
}DoNp[`  
m$ "B=b2  
光栅#2——参数 K;Fy&p^d  
假设光栅为矩形。 G8j$&1`:
 
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 L~>pSP^a  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 (V#5Cs,o:  
光栅周期：250 nm 9[T}cN=|  
光栅高度：490 nm L2+~I<|>  
填充因子：0.5 sZ_+6+ :  
n_1：1.46 [8[g_  
n_2：2.08 ;~F&b:CyG  
|BN^5mqP6  
.O
@T#0&=_  
mqQN*.8*  
光栅#2——结果 (*F/^4p!$  
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。 x= X"4Mj0)  
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。 -uX): h!  
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@!`x^Tzz  
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