[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。 o
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任务说明 @3D%i#2o&[  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 j0M;2 3@[  
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。 : P2;9+v  
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： ~kFRy{z  
8\_,Y ji  
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。 "FD~XSRL  
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： {(Z1Jo
Sl  

KwyXM9h6=  
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。 NE nP3A  
AIo;\35  
光栅结构参数 3P>@ :  
研究了一种矩形光栅结构。 {$.{VE+v5  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 m8`A~  
根据上述参数选择以下光栅参数： 0$ EJ4  
光栅周期：250 nm 94/}@<d-=  
填充因子：0.5 8b $7#  
光栅高度：200 nm ?os0JQVB  
材料n_1：熔融石英（来自目录） ]kvE+m&p}^  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 7%WI  
*()#*0  
W5 }zJ)x  
g9.hR8X  
偏振态分析 O#k+.LU  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 sk/Mh8z  
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。 xbIA97g-O,  
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。 o)DKP>IM#  
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模拟光栅的偏振态 'ZZ/:MvQa  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： zSO9 U  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。
==9Ez
  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 M,P_xkLp  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 }q
g&2M%\  
<z PyID`  
Passilly等人更深入的光栅案例。 g;1 UZE;  
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。 v4Gk
f  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 e V#H"fM  
1OKJE(T  
k2a^gCBC  
u^$ CR  
光栅结构参数 2 r)c?  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 &/" qOZAs  
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。 7dRU7p>  
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。 X;0@41t'  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 'tj4;+xf^  
oc3/ IWII  
A_+WY|#M  
光栅#1——参数 ?T"crX  
假设侧壁倾斜为线性。 |k0VJi  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 1zffPC8jl  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 O_q_O  
光栅周期：250 nm 4+0Zj+ q";  
光栅高度：660 nm K`sm  
填充因子：0.75（底部） Phczf  
侧壁角度：±6° B^Q#@[T   
n_1：1.46 ueOvBFgZ  
n_2：2.08 n >^?BU  
_nt%&f  
\`^jl  
JqO( ]*"Hi  
光栅#1——结果 f$/D?q3N  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 e:]$UAzp  
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。 {>qCZ#E5WO  
@9L9c  
   b< rM3P;  
Z'~5L_.]Ai  
光栅#2——参数 !}%giF$-  
假设光栅为矩形。 T &1sfS,  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。
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矩形光栅足以表示这种光栅结构。 xFJ>s-g*  
光栅周期：250 nm 5D#*lMSP"'  
光栅高度：490 nm Q'N<
jX[  
填充因子：0.5 CfAqMH*ip  
n_1：1.46 mnePm{  
n_2：2.08 Ldu!uihx  
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光栅#2——结果 :p{iBD
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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。 $KiA~l  
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。 X!@Gv:TD  
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