[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要
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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。 2,+H;Ypi!  
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任务说明 }sFHb[I &  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 q bo`E!K  
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。 Px<;-H`  
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： DD1S]m  
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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。 BsJClKp/  
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： j'Fni4;  
,-):&V:jF  
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。 aePk^?KbB  
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光栅结构参数 FGC[yz1g:  
研究了一种矩形光栅结构。 5lT lZRH1  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 G]{)yZ'}  
根据上述参数选择以下光栅参数： n}"MF>zDK  
光栅周期：250 nm e.[h  
填充因子：0.5 `sSI;+  
光栅高度：200 nm m9r X  
材料n_1：熔融石英（来自目录） k{; 2*6b0  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） NOvN8.K%  
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B{44|aq1|  
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偏振态分析 dI`b AP;\  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 WkT4&|POJ  
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。 =7a9~&|  
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。 ]\{EUx9  
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模拟光栅的偏振态 T5ol2  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： cf96z|^C  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 zMtx>VI
 
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 )<%GHDWL  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 {<V{0 s%  
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Passilly等人更深入的光栅案例。 [S4<bh!  
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。 tks1*I$S<  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 HZ/e^"cpM  
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光栅结构参数 svN&~@l  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 up1kg>i%"  
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。 +ps(9O/B>  
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。 -GH>12YP  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 *&XOzaVU  
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光栅#1——参数 I=0`xF|4K-  
假设侧壁倾斜为线性。 T< D&%)  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 EW]rD  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 O|d"0P  
光栅周期：250 nm W2'u]1bs  
光栅高度：660 nm idEhxvAo  
填充因子：0.75（底部） U<K)'l6#2n  
侧壁角度：±6° }gete'I  
n_1：1.46 `@RTfBBg  
n_2：2.08 +JsMYv  
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0 *2^joUv  

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光栅#1——结果 @kd`9Yw  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 9!;/+P  
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。 JD9)Qelw^$  
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光栅#2——参数 a[I :^S  
假设光栅为矩形。 .kcyw>T`I  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 5<YV`T{5Kl  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ~wvu7  
光栅周期：250 nm &.F]-1RN[  
光栅高度：490 nm _\;0E!=p  
填充因子：0.5 *PM#ngLX}r  
n_1：1.46 T\q:
  
n_2：2.08 S"HdjEF7\  
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光栅#2——结果 c^3,e/H  
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。 0fu*}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。 ?.Q$@Ih0  
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