摘要 6 U[VoUU
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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。 W Zm8!Y
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任务说明 q HdUnW
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简要介绍衍射效率与偏振理论 #k|f>D 4
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。 [+pa,^
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： &]RE 5!
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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。
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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： 1zH?.-
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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。 3*2~#dh=
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光栅结构参数 d=%NFCIV
研究了一种矩形光栅结构。 buN@O 7\
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 ![\ P /1p
根据上述参数选择以下光栅参数： 9 X=<uS
光栅周期：250 nm l5Ko9CG
填充因子：0.5 8 a)Brl}u
光栅高度：200 nm fxoEK}TM
材料n_1：熔融石英（来自目录） T1.U (::
材料n_2：二氧化钛（来自目录） T)7U+~nQ"
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偏振态分析 P(b[|QF
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 d 94k
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。 O ObAn^ bt
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。 uGb+ *tD
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模拟光栅的偏振态 8P- ay<6
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： vr4r,[B6y
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 DGb1_2Z Q
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 3 mAiz q3
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 sBa:|(Y.
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Passilly等人更深入的光栅案例。 'Gc{cNbXIA
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。 vVvF e~y]
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 l`N#~ <.
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光栅结构参数 K'J_AMBL
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 #U L75
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。 v/rBjUc+X
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。 CE96e y
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 i5 6Rd b
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光栅#1——参数 u uwJ-
假设侧壁倾斜为线性。 x
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忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 8} :$=n4&
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 EF\OM?R
光栅周期：250 nm IS(F_< .
光栅高度：660 nm \UZGXk
填充因子：0.75（底部） }vU/]0@,E
侧壁角度：±6° ;xz_H$g
n_1：1.46 '= Zm[P,
n_2：2.08 Y FJaf"?8g
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光栅#1——结果 b_F1?:#
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 f |w;u!U(
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。 <#?dPDMG.*
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光栅#2——参数 $%DoLpE>
假设光栅为矩形。 2?q>yL! Gz
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 TCRTC0_}k
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 NN'pBU R
光栅周期：250 nm CqC
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光栅高度：490 nm W7uX
填充因子：0.5 'pIrwA^6N
n_1：1.46 pu/5#[MC)^
n_2：2.08 +&VY6(Zj+*
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光栅#2——结果 ;-~E !_$
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。 +W[f>3`VQ
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。 hO$Gx*e$
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