摘要 ?3Se=7
k
Ni'vz7j
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。 pN&5vu30
OOGqt A ;
A{Z=[]r1`E
B8'" ^a^&-
任务说明 :z56!qU
KO<Yc`Fs
}L{en
-wy$ ?Ha
简要介绍衍射效率与偏振理论 .%h. b6^
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。 .ZFs+8qU>
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： gd R wh
} '. l'%
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。 \ Q|1I
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： t]#y } V
4iBp!k7
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。 Y5 $5qQ
3 ~0Z.!O
光栅结构参数 cXFNX<
研究了一种矩形光栅结构。 KtU I(*$`
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 ^1BQejD
根据上述参数选择以下光栅参数： ``)ys^V
光栅周期：250 nm G,e>dp_cPu
填充因子：0.5
xN:ih*+,v
光栅高度：200 nm ns9iTU)
材料n_1：熔融石英（来自目录） P&V,x`<Z
材料n_2：二氧化钛（来自目录） p3` 'i
6&S;Nrg9
_|bIl%W;\'
x'{L %c>L
偏振态分析 M2(+}gv;7p
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 3XYCtp8
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。
`@b+'L
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。 ZWQrG'$?o8
f ."bq43(
sWP5=t(i+9
n$g g$<
模拟光栅的偏振态 !5wm9I!5^
K4YpE}]u
2--" @@
a ?/GEfd
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： ?~$0;5)QC
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 R"EX$Zj^E
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 .8S6;xnkC
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 t&T0E.kh*X
+ VkhM;'"C
Passilly等人更深入的光栅案例。 m{
.'55
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。 eEePK~%c
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 fpJM)HU
{O9 CYP:
M>VT$!Lx
,4z wd@&O
光栅结构参数 o@mZ 6!ax3
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 zs<W>gBq
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 %Sr/'7 K
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 @,F 8gv*
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 Kv^ez %I
T&c0j(
{L5!_] 6
光栅#1——参数 s!esk%h{K
假设侧壁倾斜为线性。 fCdd,,, }
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 55MrsiW
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 w?)v#]<-
光栅周期：250 nm o^hI\9
光栅高度：660 nm ^m.QW*
填充因子：0.75（底部） 4nQk*:p(X
侧壁角度：±6° y! h e<4
n_1：1.46 +e?mKLw1 4
n_2：2.08 d0$ dQg
P9= L?t.
U]tbV<m %
T+ey>[
光栅#1——结果 GO{o #}
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 ,e{( r0
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。 ?K%&N99c!
20750 G
,S 5tkTa
f_a.BTtNO
光栅#2——参数 ,3l=44*
假设光栅为矩形。 =r=[e}&9
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 $zS0]@Dj
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ngJi;9X8*t
光栅周期：250 nm }6ObQa43
光栅高度：490 nm dR~4*59Bg
填充因子：0.5 qD=o;:~Km
n_1：1.46 X _GR{z%
n_2：2.08 Y^80@ MJ
} #}IR5`=E
SQ!wq
SbQ Ri
光栅#2——结果 jiQJ{yY
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。 4+%;eY.A
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。 2<HG=iSf
d\C x(L b[
