[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。 [kC-g
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任务说明 5?2PUE,a  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 W%Ky#!\-  
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。 ~Jq<FVK  
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： pT[C[h:  
4'_uN$${$  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 srC'!I=s>8  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： >B~p[wh0  
U24?+/5D]  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 ^
*Rrx  
r%TgZ5~u  
光栅结构参数 0~^opNR  
研究了一种矩形光栅结构。 V-I_SvWv\  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 *a+~bX)18  
根据上述参数选择以下光栅参数： <EpP;  
光栅周期：250 nm SDJAk&Z}R  
填充因子：0.5 3:);vh!  
光栅高度：200 nm {mueP6Gz@J  
材料n_1：熔融石英（来自目录） t;E-9`N  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） }{9E~"_[  
=">O;L.xj  
59ro-nA9v  
$7PFos%@  
偏振态分析 Oja)J-QXb  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 mqtl0P0  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 mJWl#3  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 yjN|PqtSV  
}R.cqk\qa^  
P3@
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模拟光栅的偏振态 | F:?  
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VJJw"4DJ  
ywCE2N<-V?  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： n_?<q{GW  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 %'t~+_  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 v#D9yttO{  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 kqv>rA3  
[O(78n$$  
Passilly等人更深入的光栅案例。 0UlaB sv  
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。 KqaeRs.u  
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 0!a &w  
o-7>^wV%BD  
P1H`NOC  
$NJi]g|<3  
光栅结构参数 R-hqaEB  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 J&Le*R'  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 &*L:4By)]  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 1<fEz  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 f{5)yZ`J*  
'J]V"Z)  
)SUT+x(DU  
光栅#1——参数 r"J1C  
假设侧壁倾斜为线性。 0.|tKetHq  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 v@"xEf1n[  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 z26zl[.  
光栅周期：250 nm Y.jg }oV  
光栅高度：660 nm 9 `J`(  
填充因子：0.75（底部） Q)HVh[4  
侧壁角度：±6° xdp{y=,[  
n_1：1.46 ){R_o
5  
n_2：2.08 .U9NQwd  
[-1
Nn}  
:uhvDYp(-  
luLm:NWUM  
光栅#1——结果 wxr93$v  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 fd*=`+P  
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。 ZK3?"|vhC  
A$fd6+{  
   NfS0yQPx  
4$d|
}ajH  
光栅#2——参数 &RpQ2*4n  
假设光栅为矩形。 g8!!:fdu  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 Og"50-  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ~SP.&>Q>  
光栅周期：250 nm >x&$lT{OY  
光栅高度：490 nm NzNAhlXj3  
填充因子：0.5 tkV:kh< L~  
n_1：1.46 9v<BO$ ,a  
n_2：2.08 8~\Fpz|Og  
8r)eiERv  
C6CX{IA]  
GAtK1%nPD  
光栅#2——结果 U-X  
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。 !W]># Pm  
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。 3 +BPqhzf  
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