[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。 u+&BR1)C  
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任务说明 r.lH@}i%n  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 re2M!m6k5  
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。 _<6
^r  
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： T4]/w|?G  
AA6_D?)vv  
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。 ='`z  
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： a:r8Jzr  
f7Y0L8D  
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。 lG I1LUo  
YiJnh47  
光栅结构参数 Qj.]I0d  
研究了一种矩形光栅结构。 EcxPbRg  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 "9'~
6b  
根据上述参数选择以下光栅参数： 5Ev9u),D+v  
光栅周期：250 nm jVC`38|  
填充因子：0.5 NoTEbFrV  
光栅高度：200 nm #k&"Rv;,  
材料n_1：熔融石英（来自目录） wzVx16Rvc  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） ![h+R@_(  
2BZYC5jy  
9^6E>S{=  
O-J;iX}  
偏振态分析 "(zvI>A  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 ZJ}9g(X..g  
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。 D99g}  
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。 '
3TwrY?-  
BgRfy2:  
xP#vAR  
)9I>y2WU~  
模拟光栅的偏振态 }{T9`^V:h  
O=~8+sa  
Ir&rTGFN  
W; yNg  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息：
me:~q#k  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 O#LG$Y n*  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 yY_(o]k  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 nGQc;p5;  
%:2EoXN"  
Passilly等人更深入的光栅案例。 5pSo`)  
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。 p4mi\~Q  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 POvxZU  
-FQ!  
'D`O4TsP>  
;;e\"%}@=q  
光栅结构参数 <7'`N\a  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 Geyy!sr``  
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。 p7et>;WRx  
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。 0U|t@&q  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 p]h;M  
;iT@41)
7  
KaVNRS  
光栅#1——参数 Vw-,G7v&E  
假设侧壁倾斜为线性。 4'3do>!  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 eS#kDa/ %  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 q^!_jMN5  
光栅周期：250 nm `9;0Y  
光栅高度：660 nm zs/4tNXw  
填充因子：0.75（底部） -55[3=#

 
侧壁角度：±6° UWU(6J|Fk  
n_1：1.46 eTg8I/)%B  
n_2：2.08 di.yh3N$  
a8 X}r.  
o;'E("!<Z  
MoAie|MKe  
光栅#1——结果 /{1sU}k-  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 ga?:k,xv  
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。 X0:V5 e  
M3XG s|gw  
   Z2n Jw  
z<_&4)2{  
光栅#2——参数 *Bfo"["0.  
假设光栅为矩形。 f^JiaU4 [  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 u<L<o2  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ;R5@]Hg6q  
光栅周期：250 nm mJxr"cwHl  
光栅高度：490 nm R*[X. H  
填充因子：0.5 #|PPkg%v
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n_1：1.46 N5PW]  
n_2：2.08 rn$G.SMgz  
]ilQq~X  
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yj$$k~@  
光栅#2——结果 ,(u-q]8   
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。 n~"qbtp}  
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。 jgvzp  
   awXK9}.  
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