[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 f/Q7WXl0  
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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。 p0S;$dH\D  
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任务说明 !e"TWO*X  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 ;0!rq^JG  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 82bOiN15  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： JG=U@I]  
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j+HU5L4  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 pd1V8PZSG  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： Ea7LPHE#  
i[wEH1jR  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 /EpsJb`kj  
AX= 4{b'  
光栅结构参数 `vijd(a?v  
研究了一种矩形光栅结构。 qAF.i^  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 Z} 8
m]I  
根据上述参数选择以下光栅参数： ZTwCFn  
光栅周期：250 nm %+y92'GqG/  
填充因子：0.5 1tNmiAu  
光栅高度：200 nm YdI&OzaroE  
材料n_1：熔融石英（来自目录） w 
u  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） < x==T4n/  
Wr%E}mX-  
N){/#3  
sP+Z
E>7  
偏振态分析 l]GUQcN=  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 A]FjV~PB  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 !AGjiP$  
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。 X~Y
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,X2CV INb}  
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模拟光栅的偏振态 Ao:<aX,=  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： H#LlxD)q  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 AxOn~fZ!  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 ^j1WF[GiSO  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 abVz/R/o  
-zq_W+)ks  
Passilly等人更深入的光栅案例。 
jd&kak
 
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。 cS'|c06  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 F^v <z)x  
7|"gMw/  
>c~Fgs  
1P'R-I  
光栅结构参数 Wn9b</tf  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 5GP,J,J  
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。 SRixT+E  
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。 {bSi3oI  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 t&r-;sH^[  
W+'|zhn  
Z|z+[V}[  
光栅#1——参数 3+%c*}KC~  
假设侧壁倾斜为线性。 .!\NM&E  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 jM E==)Y  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 tWNz:V  
光栅周期：250 nm M]+FTz  
光栅高度：660 nm t/=xY'7  
填充因子：0.75（底部） %Q}T9%Mtj  
侧壁角度：±6° 5F8sigr/h  
n_1：1.46 R9/(z\'}  
n_2：2.08 azj:Hru&t#  
1w)#BYc=L  
p.gaw16}>  
QzwA*\G  
光栅#1——结果 =]OG5b_-Y  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 P(1bd"Q  
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。 *uLlf'qU]  
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光栅#2——参数 pN[G?A  
假设光栅为矩形。 | 'SqG}h  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 fR=B/`  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 3MR4yw5v  
光栅周期：250 nm KT
)A{i  
光栅高度：490 nm H$ !78/f  
填充因子：0.5 ;+dB-g[
 
n_1：1.46 Yxa
l%  
n_2：2.08 USKa6<:{W  
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光栅#2——结果 PQmgv&!DP  
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。 piRP2Lbm*  
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。 9tW=9<E  
   lbw*T  
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