[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 L hp  
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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。 UY>[  
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任务说明 ML_$/  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 8F>u6Y[P  
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。 2[!3!@.  
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： $>JfLSyC  
:g%hT$,]3b  
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。 ~];r{IU  
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： G]]"Jc  
sKy3('5;  
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。 ]I,(^Xq3a(  
!S.O~Kq  
光栅结构参数 #B!|sXC  
研究了一种矩形光栅结构。 z`"*60b  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 *S xDwN  
根据上述参数选择以下光栅参数： v)p'0F#6A  
光栅周期：250 nm 2jf73$F  
填充因子：0.5 RWg'W,v=!  
光栅高度：200 nm =K)[3mXX  
材料n_1：熔融石英（来自目录） (]E0fjk  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 8Y]% S9.  
g6 H}a  
&\>=4)HB;  
zq6)jHfq.  
偏振态分析 gt(^9t;  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 N \~}`({  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 3"BSP3/[l  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 _<E.?K$gbU  
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+>&i]x(b  
9 NGKh3V  
模拟光栅的偏振态 ["O_Phb|  
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k vpkWD;  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： 216`rQ}z  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 4#Xz-5v  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 ^w!1QH0:/  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 E<ILZpP
 
0
<E2^  
Passilly等人更深入的光栅案例。 qfkdQ/fP  
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。 6b7c9n Z  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 ^e]O-,UBk  
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dS3;Rk2  
光栅结构参数 }[{9u#
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在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 uHsLlfTn  
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。 RWRqu }a  
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。 AdpJ4}|0  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 U(PW$\l  
nQOzKw<j%  
!F:mDZeY  
光栅#1——参数 C B`7KK  
假设侧壁倾斜为线性。 ,(RpBTV  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 (q0vql  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 E/hT/BOPK  
光栅周期：250 nm %Z+**>1J  
光栅高度：660 nm L PS,\+  
填充因子：0.75（底部） *;(^)Sj4Q  
侧壁角度：±6° ]%ewxF  
n_1：1.46 F [Lg,}  
n_2：2.08 I94-#*~I  
UlWm). b;v  
HOx+umjxW  
Qqi?DW1)-  
光栅#1——结果 2cO6'?b  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 bSz@@s.  
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。 NiFe#SLA  
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LzJ`@0RrX  
光栅#2——参数 #1C]ZV] B  
假设光栅为矩形。 c
^O&A\+;  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 J0 dY%pH#  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 l[]cUE  
光栅周期：250 nm *T#^|<.XG  
光栅高度：490 nm HYmUD74FR  
填充因子：0.5 [!>9K}z,=  
n_1：1.46 5*f54g"'  
n_2：2.08 {n&n^`Em  
A|,qjiEJCc  
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光栅#2——结果 >gs_Bzy]  
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。 b\KbF/T  
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。 nbB*d@"  
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