[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。 .i7"qq.M  
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任务说明 j<?k$8H  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 9)F$){G]vs  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 ,]@Sytky  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： (^ J2(  
.L)j ql%  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 U,<?]h  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： ![[:Z  
u\K`TWb%  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 H'@@%nO(  
I0bkc3  
光栅结构参数 w~AO;X*Ke"  
研究了一种矩形光栅结构。
|l~#qeZ%  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 }dq)d.c  
根据上述参数选择以下光栅参数： _bCIVf`  
光栅周期：250 nm |i(@1 l  
填充因子：0.5 L>`inrpz=w  
光栅高度：200 nm ^Y"|2 :  
材料n_1：熔融石英（来自目录） 3|Y.+W  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 7U)w\A;~  
@Bsvk9}  
%8KbVjn  
JGlp7wro  
偏振态分析 dY?>:ce  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 #%/0a  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 S2V+%Z _J  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 Gbb*p+(  
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K &G  
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模拟光栅的偏振态 |Mnc0Fgvy,  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： \`?4PQ  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 a;G
>56iw  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 8J0#lu  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 )%I62<N,z  
l=>FoJf!*<  
Passilly等人更深入的光栅案例。 jrO{A3<E  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 KhNE_. Z  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 )tx!BJiZ[  
%hA0  
j[$+hh3:  
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M  
光栅结构参数 ^Zq3K  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 .#Lu/w' -M  
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。 EE~DU;p;]  
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。 sWMY Lo  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 &bwI7cO  
_lZWy$rm%  
_^NL{R/  
光栅#1——参数 KD8,a+GL  
假设侧壁倾斜为线性。 )VkH':yCM  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 IoxdWQ4]A  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 b59
NMGn  
光栅周期：250 nm $G#)D^-5G  
光栅高度：660 nm 8^qLGUxz  
填充因子：0.75（底部） :w26d-QR(  
侧壁角度：±6° NU%W
9jQYS  
n_1：1.46 X8  
n_2：2.08 =\x(Rs3  
j.g9O]pi  
h~.z[  
a>)|SfsE  
光栅#1——结果 b^&nr[DC  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 Kfs|KIQ>=  
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。 ^r^) &]  
I:o.%5)  
   *l8:%t\  
),U>AiF]  
光栅#2——参数 j<'ZO)q`Q  
假设光栅为矩形。 0)9'x)l:  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 fqD1Ej  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 f/%QMhM:  
光栅周期：250 nm u*<knZ~ty  
光栅高度：490 nm j# !U6T  
填充因子：0.5 {h}e 9  
n_1：1.46 -i"?2gK  
n_2：2.08 S,^)\=v  
hD>cxo  
6e:#x:O  
8G|kKpX  
光栅#2——结果 nQ^ c{Bm:  
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。
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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。 W3 2]#M=  
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