[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 f7X#cs)a  
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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。 @Risabn  
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任务说明 !gy'_Y  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 W _b$E =  
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。 nAF@47Wo  
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： ao
{>.b  
8)rv.'A((E  
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。 w0SzK-&  
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： TFxb\  
=[{Pw8['  
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*_KHK  
R)cns7oW  
光栅结构参数 ;~]&$2sk  
研究了一种矩形光栅结构。 CX':nai  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 /F;*[JZIb  
根据上述参数选择以下光栅参数： lha)'
 
光栅周期：250 nm F:pXdU-xf  
填充因子：0.5 gn%#2:=pVu  
光栅高度：200 nm `8FC&%X_  
材料n_1：熔融石英（来自目录） )SA$hwR  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） ZX'{o9+w5  
#-'}r}1ZT  
MP}H 5  
sxThz7#i)  
偏振态分析 -&)^|Atm  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 MruWt*  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 K+v 250J$-  
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。 {+xUAmd  

\)M5o  
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模拟光栅的偏振态 ePs<jrB<  

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hsqUiB tc6  
^<E+7  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： rG\m]C3
E  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 MT6kJDyLu  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 /#:RYM'Tu  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 6km u'vw  
Z;>~<#!4  
Passilly等人更深入的光栅案例。 ,6M-xSDs  
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。 H<1?<1^  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 =fsaJ@q,R  
K&)a3Z=(.  
JA(nDD/;  
EPa3Yb?BGb  
光栅结构参数 LpmspIPvf  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 B8_l+dXO  
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。 8fe"#^"sR  
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。 pRU6jV 6e)  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 /yykOvUO  
Q}=RG//0*  
~HYP:6f  
光栅#1——参数 Q?"[zX1  
假设侧壁倾斜为线性。 |iwTzlt*#  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ~zm/n,Epb  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 z!3Z^d`  
光栅周期：250 nm mefmoZ  
光栅高度：660 nm <`r+l5  
填充因子：0.75（底部） M`>W'<  
侧壁角度：±6° <khx%<)P  
n_1：1.46 :mJM=FeJ  
n_2：2.08 W^Rb~b^?  
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D7hA  
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光栅#1——结果 X~DXx/9  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 )I>rC%2P  
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。 m
CE})S  
UpIf t=@P  
   WuNu}Ibl}m  
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光栅#2——参数 IWWFl6$-  
假设光栅为矩形。 \6'A^cE/PX  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 xaS  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 uc<@ Fh(  
光栅周期：250 nm xsTxc&0^  
光栅高度：490 nm c:6w >:  
填充因子：0.5 J6%op{7/  
n_1：1.46 i4pJIb  
n_2：2.08 *Vc=]Z2G^  
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光栅#2——结果 \l2 s^7G_  
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。 6,)y{/ENC  
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。 UZ!hk*PF  
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