[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。 ?m%h`<wgMc  
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任务说明 ur%$aX)  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 2:^njqX  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 pa/9
F[  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： E%pz9gcSx  
~1 ZD[@  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 n'w,n1z7  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： wT_^'i*@I  
/'&;Q7!)  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 H#(<-)j0_  
n~r 9!m$<  
光栅结构参数 QApyP CH  
研究了一种矩形光栅结构。 <4X?EYaTq  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 "Ai6<:ml  
根据上述参数选择以下光栅参数： $[CA&Y.  
光栅周期：250 nm F'W> 8  
填充因子：0.5 oK+Lzb\d{M  
光栅高度：200 nm KCqqJ}G  
材料n_1：熔融石英（来自目录） HtBF=Boq  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） <0j{ $.  
pM$ @m]  
/^<en(0=P  
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A  
偏振态分析 ,x#ztdvr  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 JeQ[qQ  
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。 "kSwa16O  
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。 4M`Xrfwm'[  
rxE&fjW  
qu{mqkfN>  
h_ ZX/k  
模拟光栅的偏振态 W<'<'z5  
qo;)X0N  
!#}>Hv^N  
I'_v{k5ZI  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： uLW/f=7L  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 Jt=>-Spj  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 iJnh$jo  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 ^Q2ZqAf^a  
?!S GiARW?  
Passilly等人更深入的光栅案例。 gxM[V>[  
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。 #+G`!<7/@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。 azGnP3_  
"iek,Y}j7  
j#igu#MB
*  
rO^xz7K^  
光栅结构参数 b(&]>z  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 $ I<|-]u  
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!^J,e=  
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_[b)&V  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 CA^.?&CH^O  
{hd-w4"115  
o;;,iHu*  
光栅#1——参数 0vckoE  
假设侧壁倾斜为线性。 }tR'Hz2  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 Wo3'd|Y~i  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 sp{j!NSL  
光栅周期：250 nm [=~!w_  
光栅高度：660 nm [4gjC  
填充因子：0.75（底部） AU`OESSI  
侧壁角度：±6° 4*8&[b  
n_1：1.46 ZNy9_a:dX  
n_2：2.08 "::9aYd!  
x]'H jTqX  
taV|YP$  
04\Ta  
光栅#1——结果 NcM3P 
G  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 =1Sy@MbH3  
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。 M,G8*HI"  
1ypjyu  
   |Gc&1*$  
#M:B3C!ouY  
光栅#2——参数 &#,v_B)a_E  
假设光栅为矩形。 BvJ\x)  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ~2 Oc K  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 S)Mby  
光栅周期：250 nm zKMv7;s?  
光栅高度：490 nm wRi~Yb?  
填充因子：0.5 J[o
${^  
n_1：1.46 d~/xGB`<  
n_2：2.08 I1v@\Rb  
1:5P%$?b  
Di])<V  
0#]!#1utg  
光栅#2——结果 Q'C4pn@  
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。 2;}xN!8  
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。 ZmP1C`>  
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