[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 U,_jb}$Sq7  
FkS$x'~2$  
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。
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任务说明 V7pe|]%r  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 ~Ip-@c}'j  
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。 IL\2?(&Z  
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： '%}k"&t$i  
h\@\*Xz<v  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 z(yJ
/~m  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： &.ENcEic  
{okx*]PIc  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 h>A~..  
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emw=a  
光栅结构参数 Z fQzA}QD  
研究了一种矩形光栅结构。 >;9+4C<z0  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 pm.Zc'23  
根据上述参数选择以下光栅参数： x)h|!T=B~  
光栅周期：250 nm j\o<r0I  
填充因子：0.5 ("+J*u*kq_  
光栅高度：200 nm @Ft\~ +}  
材料n_1：熔融石英（来自目录） 5,;>b^gXY`  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 2c Pd$j  
YH 5jvvOI  
a*oqhOTQ  
t\/i9CBn  
偏振态分析 ^Qx qv  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 }ob&d.XZ  
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。 _3_kvs  
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。 N"+o=nS  
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W'B=H1  
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模拟光栅的偏振态 sFvu@Wm'7W  
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R;6$lO8C&  
5Q9nJC{'NN  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： |6ZH+6[  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 VX;br1
$X  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 gYtv`O  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 dE`a1H%  
fs:%L  
Passilly等人更深入的光栅案例。 nNN~Z'bG  
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。 $P{|^ou3a#  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 K]  
mn>$K"_k  
#%=6DHsK  
D<DSK~  
光栅结构参数 ++HHUM  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 sghQ!ux  
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。 sb]{05:  
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=Wtv/ 3  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 \$iU#Z  
y,.X5#rnX*  
s.zfiJ
 
光栅#1——参数 b%TS37`^[  
假设侧壁倾斜为线性。 _
gGI&0(VM  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 +bGj(T%+'  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 ~$
bkWb*RJ  
光栅周期：250 nm 2
4}?GO
 
光栅高度：660 nm kzK4i!}  
填充因子：0.75（底部） |\ZsoA  
侧壁角度：±6° I|`/#BYbW  
n_1：1.46 nQ$4W  
n_2：2.08 ]z
%X%wL  
Zs(I]^w;d  
dv_& ei  
s%{8$>8V.  
光栅#1——结果 v4pFts$J  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 n0nvp@?7bJ  
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。 :nt 7jm,  
ZSBa+3;z  
   {Xc^-A[~  
B5nzkJV<X  
光栅#2——参数 %y{
f]m  
假设光栅为矩形。 BotGPk><c  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 *b$8O  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。  /z0X  
光栅周期：250 nm H(JgqbFB*  
光栅高度：490 nm zE~{}\J  
填充因子：0.5 &EELq"5K  
n_1：1.46 t7t?xk!2  
n_2：2.08 WRq:xDRn0  
THQd`Lj  
)YKnFSm  
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光栅#2——结果 TpHvZ]c  
这两幅图对比之下再次显示出非常好的匹配度，特别是图表的趋势。 H
P$GI  
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。 M;96Wm  
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