[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 }v}F8}4  
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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。 xdbzpU  
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任务说明 QAx9W%  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 @yb'h`f]  
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。 k0=!%f_G!  
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： kOo  Vqu  
HdtGyh6X0  
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。 !m:WoQ
/  
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： K
RlJKd{  
!yj1X Ar  
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。 $+J39%Y!^  
{sB-"NR`K  
光栅结构参数 Bj4c_YBte  
研究了一种矩形光栅结构。 p
}sM"}Ul  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 w^8Q~3|7  
根据上述参数选择以下光栅参数： e@VJ-s  
光栅周期：250 nm RQWUO^&e^  
填充因子：0.5 yLLA:5Q1  
光栅高度：200 nm <%3fJt-Ie  
材料n_1：熔融石英（来自目录） ,=CipL9]  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） ){P`-ZF  
5P<1I7d  
A@|Z^T:  
-w2^26ax  
偏振态分析 ~rO&Y{aG#  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 V C VqUCc  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 KO8vUR*2R  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 N)cODy([  
`:Wyw<^  
En7+fQ  
7Fpa%N/WL  
模拟光栅的偏振态 )MIw/  
d(t)8k$  
Bn8&~  
vM5I2C3_>!  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： %P1zb7:8  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。  dEXhn  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 j,].88H  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 hoBFC1  
q*R~gEi#yk  
Passilly等人更深入的光栅案例。 v,ecNuy*d  
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。 mQ}\ptdfV  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 +,"[0RH  
jo"+_)]  
<hy!B4  
`m1stK(PO  
光栅结构参数 qDswFs(
 
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 'p[6K'Uq5  
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。 jS3@Z?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。 !V#*(_+n  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 
Kc r)W  
#q34>}O< O  
5[zr(FuE  
光栅#1——参数 |1ry*~  
假设侧壁倾斜为线性。 :,H_ e! X  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 |af<2(d  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 ZHA&gdK@  
光栅周期：250 nm NY?iuWa*g  
光栅高度：660 nm YVRE9  
填充因子：0.75（底部） :/? Op  
侧壁角度：±6° 4ybOK~z  
n_1：1.46 2\$<&]q  
n_2：2.08 ]lJ#|zd8o  
.wm<l:  
;/m>c{  
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光栅#1——结果 4mBM5Tv  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 3H"F~_H  
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。 lKI]q<2  
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   z&GGa`T"  
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光栅#2——参数 ND9;%
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假设光栅为矩形。 k]& I(VQ"  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 )CL/%I,^  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。
B7{j$0fm*  
光栅周期：250 nm >)+U^V  
光栅高度：490 nm c:z}$DK&'  
填充因子：0.5 &U.y):  
n_1：1.46 &n6 |L8  
n_2：2.08 ,,9vk\  
F+xMXBD@>*  
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光栅#2——结果 `~=Is.V[  
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。 l%2B4d9"v  
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。 R<h0RKiM@  
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