[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。 T[*=7jnJQ  
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任务说明 8J7xs6@  
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NyFa2Ihd  

y!h$Z6.  
简要介绍衍射效率与偏振理论 &1{RuV
&t  
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。 D9 OS,U/l  
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： S9t_2%e  
bBb$0HOF  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 ~ucOQVmz@  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： >| r
ID  
}b\e2ZK  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 w$u=_  
eh&?BP?  
光栅结构参数 s 'u6Ep/V  
研究了一种矩形光栅结构。 j]6Z*AxQ  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 b`u
sRoD{+  
根据上述参数选择以下光栅参数： SL? ! RQ  
光栅周期：250 nm a]Bm0gdrO  
填充因子：0.5 |)B&-~a+p  
光栅高度：200 nm cAogz/<S  
材料n_1：熔融石英（来自目录） O&!+ni  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 6Y>MW 4q  
Hl8-1M$&  
J$%mG*Y(  
|K YONQ  
偏振态分析 \f}S Hh  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 &jT>)MXPu  
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。 wm}6$n?Za  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 - /]ro8V$  
H 0aDWFWS  
T2P0(rEz  
hc4<`W{  
模拟光栅的偏振态 Xw(e@:  
rW0# 6  
1Thr74M  
4_ztIrw  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： d+[y
W7%J  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 $]<CC`  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 tKjPLi71  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 KwndY,QD  
[rC-3sGar  
Passilly等人更深入的光栅案例。 +ByxhSIr  
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。 y\$
B9KX  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 (\{9W  
B$1e AwT9  
 oJ ~ZzW  
2 :u4~E3  
光栅结构参数 s^TF+d?B  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 };o6|e:2E  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 bHH{bv~Z  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 CkE@Ll3Z  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 ,%w_E[2  
^>gRK*,  
p+SFeUp  
光栅#1——参数 nyWA(%N1  
假设侧壁倾斜为线性。 -==@7*x!Z  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 +Pd&Yf
U9  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 Q#wASd.  
光栅周期：250 nm .Qg!_C  
光栅高度：660 nm ,>A9OTSN\  
填充因子：0.75（底部） ;{ u{FL  
侧壁角度：±6° "IA[;+_"  
n_1：1.46 !MSz%QcO  
n_2：2.08 .^>[@w3  
1k6f|Al-  
O`~G'l&@T  
*/sVuD^b`  
光栅#1——结果 wv>Pn0cO  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 7}(wEC  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 l~!Tnp\M  
;n$j?n+|  
   fQi7e5  
%Rj:r!XB:  
光栅#2——参数 bA
ms-cXm  
假设光栅为矩形。 9:4PJ%R9  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 \u?z:mV  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 U>7"BpC  
光栅周期：250 nm zYO+;;*@  
光栅高度：490 nm 3P3x^NI  
填充因子：0.5 Vh$~]>t:f  
n_1：1.46 ?`V%[~4_I  
n_2：2.08 E#JDbV1AC  
!SEHDRp  
FiMP_ y*S  
e;~[PYeu  
光栅#2——结果 `Jhu&MWg  
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。 YNA %/  
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。 hV#+joT8i  
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