[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。 9T\\hM)k  
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任务说明 ?@^gpVK{  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 _Qq lOc9  
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。 ?^ R"a##  
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： w5vzj%6i  
[4Q;5 'Dj  
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。 pQxv_4  
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： !iL6/  
f.c2AY~5[  
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。 ;D<
;pW  
5S ) N&%  
光栅结构参数 RS|*3 $1  
研究了一种矩形光栅结构。 d/b\:[B@  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 '(zP;  
根据上述参数选择以下光栅参数： FP")$ ,=s  
光栅周期：250 nm .dn#TtQv  
填充因子：0.5 Zul@aS !  
光栅高度：200 nm &"=O!t2  
材料n_1：熔融石英（来自目录） hGI5^!Cq  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） (_Th4'(@Y  
braI MIQ`  
&srD7v9M8  
<Wd_m?z  
偏振态分析 |+Xh ^E  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 4j(*%da  
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。 FjW%M;H  
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。 mln%Rd6u/  
B}@CtVWFz  
RLO<5L  
+1K=]#a  
模拟光栅的偏振态 6%V#_]  
;)vs=DK:)  
M 9 N'Hk=  
Xif>ZL?aXb  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息：
(S_1C,  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 a
qgm  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 {>3w"(f7o  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 ItE)h[86  
?[.g~DK,  
Passilly等人更深入的光栅案例。 P!!:p2fo  
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。 v?o("I[ C  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 xv7nChB  
! QKec  
")u)AQ  
F<O<=Ww  
光栅结构参数 `a8&7J(  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 {D
X1/49  
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。 G{.A5{  
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。 AQPzId*z  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 '<h@h*R  
GPAz#0p  
p]6/1&t="  
光栅#1——参数 F~3 &@TWi  
假设侧壁倾斜为线性。 kZQ$Iv+^(  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 rUmnv%qTS  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 ,%KMi-w]q,  
光栅周期：250 nm R7Ns5s3X  
光栅高度：660 nm 9abn6S(XpJ  
填充因子：0.75（底部） 9$^v*!<z\  
侧壁角度：±6° V_9>Z?  
n_1：1.46 nz`"f,  
n_2：2.08 Y|<1|wG
G  
h=_h,?_  
2'WdH1UrBc  
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光栅#1——结果 ; zfBe%Uf  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 R[2h!.O8  
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。 >H?~2O  
xKoNo^FF  
   Rp.FG   
e(k$k>?  
光栅#2——参数 kN*\yH|  
假设光栅为矩形。 Q?Uk%t\hwc  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 @"`{Sh`Y$  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 gR{.0e  
光栅周期：250 nm Mp^U)S+  
光栅高度：490 nm 9'!I6;M  
填充因子：0.5 !B&1{  
n_1：1.46 C5oIl_t  
n_2：2.08 MM Nz2DEy[  
D 3}e{J8  
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光栅#2——结果 z(beT e  
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。 0"M0tA#  
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。 'p(I!]"uo  
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