[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 W'on$mB5<  
raQ7.7  
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。 8O"U 0  
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任务说明 X@|&c]]  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 1HPx|nmE]  
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。 |0,vQv  
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： ,Hgc-7g@Y  

GTJ{h  
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。
zY|klX})  
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： M+!x}$&v  
~RD+.A  
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。 4&cL[Ny  
.{S8f#p9T  
光栅结构参数 "p3_y`h6+  
研究了一种矩形光栅结构。 3! ~K^Z]  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 [q
oXMuC|P  
根据上述参数选择以下光栅参数： [+Y{%U  
光栅周期：250 nm zW8*EE+,  
填充因子：0.5 ?J,AB #+  
光栅高度：200 nm eVl'\aUd  
材料n_1：熔融石英（来自目录） dr<<!q /  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） !7d*v3)d  
!SKV!xH9  
=KT7nl  
UgN28YrW  
偏振态分析 s[Ur~Wvn  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 /xJqJ_70X  
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。 _U{&@}3  
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。 Y[SU&LM  
pZZf[p^s
|  
p*l$Wj  
<*EZ@XoN>  
模拟光栅的偏振态 4m-I5!=O  
/1`cRyS  
|7@O($b  
0ji q-3V)  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： 5yVkb*8HS  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 -]:GL>b  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 x#C@8Bxq=  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 Ay{t254/  
lHB
) b}7E  
Passilly等人更深入的光栅案例。 ~LQ[4h<J !  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 eb|i3.  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 w-$[>R[hw  
G9g6.8*&  
B ZMu[M  
(.3'=n|kE  
光栅结构参数 gf)t)-E  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 \.gEh1HW  
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。 A`6ra}U<  
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|MY!uV  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 tD$lNh^  
~svO*o Wa  
5y4u5Tm-%  
光栅#1——参数 
kVS?RHR  
假设侧壁倾斜为线性。 (5$ZvXx?}  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。  8%RI7Mg  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 N{d@^Yj  
光栅周期：250 nm j*;N\;iL!*  
光栅高度：660 nm W0cgI9=9  
填充因子：0.75（底部） VK3it3FI>3  
侧壁角度：±6° kJ)gP2E  
n_1：1.46 AAUyy :  
n_2：2.08 "'Z- UV  
eXl=i-'  
FnHi(S|A  
C+NF9N  
光栅#1——结果 vs&8wbS)  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 8n?kZY$,  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 #Tp]^ n  
[{&jr]w`|  
   G.U5)4_^  
`&$B3)Eb  
光栅#2——参数 {fSfq&o  
假设光栅为矩形。 mW`oq  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 @\Js8[wS9@  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ]qw0V   
光栅周期：250 nm K\Eo z]?  
光栅高度：490 nm Ey&aBYR  
填充因子：0.5 gmSQcN)  
n_1：1.46 8)0L2KL'  
n_2：2.08 t0m*PJcF  
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D>wZ0p b-  
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光栅#2——结果 q9}m!*8e  
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。 v@u<Ww;=@  
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。 3 EYiQ`  
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