[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

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。 ZzI^*Nyg  
v>g1\yIw  
QA.B.U7!  
(H+'sf^h  
任务说明 n<lU;  
m |,ocz  
Z|d_G}  
D}!U?]la&  
简要介绍衍射效率与偏振理论 e?L$RY,7  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 h=4m2m  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： 3Du&KZ  
nI.#A  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 r7*[k[^[^  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： RGLwtN  
Y*f7& '[  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。  fUb5KCZ  
GG;M/}E9  
光栅结构参数 ~AK!_EOs`  
研究了一种矩形光栅结构。 QsDab4  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 fQuphMOl6  
根据上述参数选择以下光栅参数： >6ch[W5k@  
光栅周期：250 nm %<DRrKt  
填充因子：0.5 V}9wx%v  
光栅高度：200 nm m98k/w_  
材料n_1：熔融石英（来自目录） m^T$H_*;  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） &.7\{q\(  
$z@e19gT  
9z_Gf]J~  
uVu`TgbZ  
偏振态分析 [Bpgb57En  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 sTv/;*  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 ,[Cl'B  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 2HQ'iEu$  
<ze'o.c  
g:;v]   
= "c _<?=[  
模拟光栅的偏振态 2E2J=Do  
tk}qvW.Ii  
348Bu7':  
5/P?@`/eT  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： ~Zaxn~u:  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 ^5,ASU  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 W11_MTIU  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 R"O9~s6N  
m(g$T  
Passilly等人更深入的光栅案例。 7Zu!s]t  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 zG& N5t96X  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 =/dW5qy;*+  
>t*zY~R.  
L1rov  
6Mk@,\1  
光栅结构参数 >r]# 77d  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 um3 M4>K  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 Uut,cQ". d  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 &nz1[,  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 N.-Ryj&9  
te:"
1:e  
Tm3$|+}$f  
光栅#1——参数 7ky(g'  
假设侧壁倾斜为线性。 *^.b}K%  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 E>'pMw  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 &LL81u6=S  
光栅周期：250 nm *ZaK+ B
 
光栅高度：660 nm 3tLh{S?uJ  
填充因子：0.75（底部） t1ZZru'r  
侧壁角度：±6° AQ0L9

?   
n_1：1.46 4-3
B"
  
n_2：2.08 bQ .y,+  
" *Ni/p$I  
X^xu$d6   
OH)SdSBz  
光栅#1——结果 bJBx~  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 Vn8Qsf1f  
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。 sgB3i`_M  
1.>sG2*P  
   #d|.BxH  
B:x4H}`vh  
光栅#2——参数 s#qq% @  
假设光栅为矩形。 K}Z'!+<U  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 `L;I/Hp  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 le[5a=e(  
光栅周期：250 nm wk5a &  
光栅高度：490 nm {H>iL  
填充因子：0.5 %%k[TO  
n_1：1.46 ,bH  
n_2：2.08 )m)>k` 0  
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Fk  
VUt 6[~?  
光栅#2——结果 R/^ rh  
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。 0cS.|\ZTA  
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。 foJ|Q\Z,T  
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