[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。 G@anY=D\EB  
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任务说明 NWSBqL5v   
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简要介绍衍射效率与偏振理论 `(<XdlOj  
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。 V4}9f5FR  
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 njaHol0  
1"009/|  
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。 nM1U=Du  
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： ? r=cLC  
l.?R
7f  
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。 Y(ly0U}  
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光栅结构参数 C".&m  
研究了一种矩形光栅结构。 c$Js<[1  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 h*{{_3,  
根据上述参数选择以下光栅参数：
.G#S*L  
光栅周期：250 nm a1]k(AuQrC  
填充因子：0.5 !-%i" a  
光栅高度：200 nm V=BF"S;-'
 
材料n_1：熔融石英（来自目录） PmO ut
YV  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 5zX;/n~  
7\'vSHIL  
` ZXX[&C  
Xz&Hfs"/J  
偏振态分析 [s"3g\L';  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 5bR;R{:x  
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。 )V%xbDdS  
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。 IL?3>$,  
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&i4*tE3],  
~mx me6"v  
模拟光栅的偏振态 ]fIv{[A_  
n;)!N  
_ro^<V$%  
}x`W+r  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： >XjSVRO  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 YA O, rh  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 V03U"eI="  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 >_(Xb%w  
B1oi]hDy  
Passilly等人更深入的光栅案例。 : I28Zi*  
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。 T>e!DOW;  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 X"YH49?  
ByoSwQ  
fDhV *LqW  
ifl`QZp_  
光栅结构参数 ;aj
CnSmR  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 j<>E Fd  
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。 +',[q  
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。 
4=td}%  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 Z;=G5O uvQ  

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$Mm=5K%  
光栅#1——参数 /Pv d[oF  
假设侧壁倾斜为线性。 }&Un8Rg"h  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 %eB0)'  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 RiqYC3Ka  
光栅周期：250 nm \:9dt8(-U  
光栅高度：660 nm lfp[(Ph)9  
填充因子：0.75（底部） "i_I<?aGB  
侧壁角度：±6° O-y/K2MC*  
n_1：1.46 G?CaCleG  
n_2：2.08 qk;*$Q  
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C k  
A!\ouKyayS  
DW&%"$2  
光栅#1——结果 c[J(H,mt/  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 N7:=%Fy(  
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。 h3D~?Iom  
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   +>h}Uz  
$#4Qv5}  
光栅#2——参数 m/RX~,T*v&  
假设光栅为矩形。 ~sT/t1Rp  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 4$.$j=Ct."  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 Z&9MtpC+N3  
光栅周期：250 nm 8}z]B^?Fy  
光栅高度：490 nm ^F2OTz4n  
填充因子：0.5 f#mBMdj  
n_1：1.46 ef8_w6i  
n_2：2.08 
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yW5/Y02  
07 [%RG  
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光栅#2——结果 5Z"IM8
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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。 I
,;@\  
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。 TP7'tb  
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