[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。 i"mN0%  
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S]&f+g}&w  
任务说明 o))z8n?b  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 #DK@&Gv  
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。 9jq}`$S{  
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： &nkYJi(!  
;hb;%<xqT  
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。 R6l`IlG`  
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： QND{3Q  
.l?sYe64S  
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。 J%ng8v5ex  
-xs@rV`  
光栅结构参数 91%QO?hz  
研究了一种矩形光栅结构。 ,aOi:aaZRT  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 "ee:Z_Sz  
根据上述参数选择以下光栅参数： zOJ4I^^  
光栅周期：250 nm dsck:e5agZ  
填充因子：0.5 3cfJ(%'X  
光栅高度：200 nm PyQt8Qlz  
材料n_1：熔融石英（来自目录） vN#?>aL  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） MLwh&I9)  
K|Jp
kEw  
|a9d]^  
fA"N5qQI(  
偏振态分析 $yxwB/O(  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 }e$^v*16  
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。 tt5t(+5j  
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。 ipzv]c&  
|f5WN&c  
6S]K@C=r  
zq]I"0Bi.  
模拟光栅的偏振态 :/YHU3~Y  
[Q"*I2&  
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wEd+Ds]$  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： %siBCjvo=  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 |v,%!ps  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 Ff6l"A5  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 dy/\>hu  
r{NC
I  
Passilly等人更深入的光栅案例。 ogD 8qrZ6J  
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。 %f[0&)1!.v  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 581Jp'cje  
%L;z~C  
iCd$gwA>F  
&CP0T:h  
光栅结构参数 o[=h=&@5p  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 _:dt8+T#  
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。
vG E;PwR  
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。

pXn(#n<  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 ,uz+/K%OA5  
i'XW)n  
/%qw-v9qPV  
光栅#1——参数 ;B Lw?kf  
假设侧壁倾斜为线性。 Nf@-i`  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 * AsILK0  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 *[XVkt`H  
光栅周期：250 nm ? 2#tIND  
光栅高度：660 nm w4:|Z@I  
填充因子：0.75（底部） wY$'KmNW  
侧壁角度：±6° :Q\Es:y  
n_1：1.46 m.:2G  
n_2：2.08 |76G#K~<X  
d}d1]@Y\  
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:X  
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光栅#1——结果 o`tOnwt
  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 7E0L-E=.  
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。 n,,hE_  
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   "6^~-`O  
QmHj=s:x\  
光栅#2——参数 $!?tJ@{  
假设光栅为矩形。 B7'rbc'  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 %R?B=W7;Q  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 x6n
(BMr  
光栅周期：250 nm !UzMuGj  
光栅高度：490 nm QaVxP1V#U  
填充因子：0.5 kdq<)>"  
n_1：1.46 /5**2Kgv1  
n_2：2.08 62-,!N 1-  
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光栅#2——结果 ^<$$h  
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。 g$^:2MT"aQ  
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。 $Gy&  
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