摘要 Q' ^]lVY
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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。 y*6r&989
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任务说明 pDlh^?cux
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简要介绍衍射效率与偏振理论 $hO8
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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。 f |FQd3o)
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： \o@b5z ]e
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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。 \' "q6y
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： >|7&hj $
*.EtdcRo[
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。 t Q_}o[
j &Ayk *
光栅结构参数 H$ xSl1>E
研究了一种矩形光栅结构。 +.HQ+`8z]
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 a @,tf'Sr
根据上述参数选择以下光栅参数： k< W]VS3N
光栅周期：250 nm :"O=/p+*Us
填充因子：0.5 e= "/oo
光栅高度：200 nm c e=6EYl
材料n_1：熔融石英（来自目录） > KH4X:
材料n_2：二氧化钛（来自目录） \{+7`4g
n*i aNaU"'
L*h X_8J
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偏振态分析 3g2 t{ %
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 qm]ljut
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。 `Xmpm4 ]
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?Y%y@.
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模拟光栅的偏振态 N??<3j+Iu
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： Z@C
D1+ G
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 /'VCJjzZ
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 ]\ r~"*TZ
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 $X*$,CCIB
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Passilly等人更深入的光栅案例。 ^QW%< X
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。 "
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因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 #2HygS
x=au.@psBS
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光栅结构参数 ]r"{G*1Q
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在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 tfv]A C7x
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。 (uV7N7 <1
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。 P<4jY?.
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 H#Og0gEE}5
'{oe}].,
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光栅#1——参数 bNaJ{Dm$R
假设侧壁倾斜为线性。 Ca1)>1 Vz
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 Ha+FH8rZ
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 Ugdm"
光栅周期：250 nm #sqDZ]\B
光栅高度：660 nm A&t'uY6
填充因子：0.75（底部） y:|7.f
侧壁角度：±6° Cq(Xa-
n_1：1.46 09 %eaoW
n_2：2.08 uqO51V ~
\Gv Vs
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Bgs~1E @8V
光栅#1——结果 !w)Mm P Xb
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 >$Fc=~;Ba
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。 T:!sfhrZ~<
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3mm`8!R
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光栅#2——参数 QOF;j#H^
假设光栅为矩形。 l[fNftT-
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 rf`Br\g 8
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 $&e(V6A@
光栅周期：250 nm =V,'f
光栅高度：490 nm } 1XLe
填充因子：0.5 mJsYY,b8
n_1：1.46 6=@n
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n_2：2.08 y1
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光栅#2——结果 @Op8^8$`
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。 ,jt098W
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。 |@@mq!>-
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