[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。 s:z  
x@pzgqi3  
F*NHy.Y  
Mt%Q5^  
任务说明 z(>:LX"xz  
k RSY;V  
  &._Mh  
t$R0UprK  
简要介绍衍射效率与偏振理论 /1=x8Sb  
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。 ?
,[$8V  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率：
pK/RkA1  
'gsO}xj  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 A-$C6q  
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： -Q ];o~  
U2\k7I  
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。 hl DU.k  
%Rk0sfLvn  
光栅结构参数 WW7E*kc  
研究了一种矩形光栅结构。 >gn@NJ2N  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 <UGM/+aO  
根据上述参数选择以下光栅参数： pNu?DF{ 3  
光栅周期：250 nm 
2<V`  
填充因子：0.5 |t#s h  
光栅高度：200 nm i"E_nN"V  
材料n_1：熔融石英（来自目录） Z hCjY  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） ZOx;]D"s  
Z1(!syg  
@ W q8AFo  
2t=&h|6EW  
偏振态分析 IQmlmu  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 8*uaI7;*  
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。 X3ZKN
;  
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。 +hlR  
q'X#F8v  
j1ap,<\.k  
*$mb~k^R  
模拟光栅的偏振态 Ie8K[ >  
u=(.}  
f uH3C~u7<  
~BBh4t&  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： C"k]U[%{  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 S@4bpnhK  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 -,$:^4  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 KT<N ;
[;  
i}))6   
Passilly等人更深入的光栅案例。 *r6v9  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 160BgFM  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。  BfW@f  
b}hQU~,E  
D2\EpL/  
|CBJ8],mT  
光栅结构参数 z qd1G(tO  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 QxBH{TG  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 :a( Oc'T  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 7? ="{;  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 h?GE-F  
W:2]d  
.e5
rKkkT  
光栅#1——参数 G/KTF2wl7  
假设侧壁倾斜为线性。 SMQC/t]HT  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ^4{{ +G)j  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 H\|H]:CE  
光栅周期：250 nm g_"B:DR  
光栅高度：660 nm P;ZVv{mT  
填充因子：0.75（底部） #Jfmt~ks'  
侧壁角度：±6° +#@2,  
n_1：1.46 mWVq>~  
n_2：2.08 ~jC$C2A0  
id/y_ekfP  
.WGrzhsV  
}O6E5YCm  
光栅#1——结果
R>,_C7]u  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 5N|hsfkx  
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。 lhF)$M  
#5^S@}e  
   S&'-wAEd  
)fc+B
_  
光栅#2——参数 IXR%IggJA  
假设光栅为矩形。 `Z (`  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。  t&
G #%  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 XBTjb  
光栅周期：250 nm Z&GjG6t  
光栅高度：490 nm ?"p.Gy)  
填充因子：0.5 _P=L| U#C  
n_1：1.46 //^{u[lr  
n_2：2.08 XeAH.i<  
Qgl5Jr.  
_2<d6@}
 
ban;HGGNG{  
光栅#2——结果 2K{)8;^  
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。 ,{#Li  
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。 V:1_k"zQ  
   -L2%,.E>4  
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