[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。 rd7p$e=i  
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BL&AZv/T  
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任务说明 ].Yz =:  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 \Y!#Y#c  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 Hs)Cf)8u  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： Nvd(?+c  
X,
G<D}  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 4x6n,:;  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： P")I)>Q6  
,ayEZ#4.m  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 6J>AU  
Z[Tou  
光栅结构参数 W
yM1s+@  
研究了一种矩形光栅结构。 q=pRe-{  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 u)<]Pb})r  
根据上述参数选择以下光栅参数： qb[hKp5K6  
光栅周期：250 nm =!t;e~^8]  
填充因子：0.5 x`g,>>&C  
光栅高度：200 nm %T]$kF++&  
材料n_1：熔融石英（来自目录） A,F~*LXm  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） J
$}]p  
]A2E2~~G  
 igo9~.  
l/={aF7+  
偏振态分析 <\O+
 
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 q;,lv3I  
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。 lWY
p  
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 MJ`_  
 2yJ{B  
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`h@fW- r  
模拟光栅的偏振态 @Fc:9a@  
": vGs_$  
4|K\pCw  
g4A{RI  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： T3fQ #p  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 %)
7t2D  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 #_.JkY  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 4-.W~C'Q  
e' M&Eh  
Passilly等人更深入的光栅案例。 BP9#}{kE  
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。 rnZ$Qk-H  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 %g@?.YxjT  
>[Vc$[62  
_Gq6xv\b1  
Kn:Ml4[;  
光栅结构参数 3q73L<f  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 -Fd&rq:GB(  
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。 +4-T_m/W/  
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。 ynmjIQ  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 V~/G,3:0y%  
l(NQk> w  
}O*`I(  
光栅#1——参数 qS\#MMsTd  
假设侧壁倾斜为线性。 '$OUe {j<  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 3'.@aMA@  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 J- S.m(  
光栅周期：250 nm }T4|Kyu?  
光栅高度：660 nm i*=~mO8E  
填充因子：0.75（底部） ^
($'l)I  
侧壁角度：±6° .yy-jf/  
n_1：1.46 ~Fuq{e9`  
n_2：2.08 D#LV&4e>.E  
l$/pp  
2yK">xYY@  
Y]SF0:v!n  
光栅#1——结果  ;v.[aq  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 VVDN3  
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。 j"nOxs  
83c2y;|8  
  
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^;_~mq.  
光栅#2——参数 >SI'Q7k  
假设光栅为矩形。 gNEcE9y2  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 MOD&3>NI  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 LH4A!a]  
光栅周期：250 nm n- 2X?<_Z  
光栅高度：490 nm #`u}#(  
填充因子：0.5 ,Iyc0  
n_1：1.46 8vVE  
n_2：2.08 ~`AB-0t.u  
P{9:XSa%  
4Et(3[P71  
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光栅#2——结果 _uO$=4Sd  
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。 #zl1#TC{(  
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。 :dt[ #  
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