[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。 3^'#
ny?l  
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GPMrs)J*!  
任务说明 z?I+u*rF6  
M,ppCHy/$  
FSFFk~  
l~4_s/  
简要介绍衍射效率与偏振理论 vs+We*8H  
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。 hzW{_Q.|?  
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： ws.?cCTpt  
i+U@\:=  
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。 Th_Q owk  
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： HUK"OH  
R9b
hC9NP  
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。 <( c
M*kV  
`B:B7Cpvn  
光栅结构参数 `D4oAx d9  
研究了一种矩形光栅结构。  dD:  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 jC#`PA3m=  
根据上述参数选择以下光栅参数： U8EJC .e&O  
光栅周期：250 nm C{DlcZ<  
填充因子：0.5 7 kEx48  
光栅高度：200 nm /rn"  
材料n_1：熔融石英（来自目录） 0`V3s]%iu  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） Ng?apaIi@~  
mJSK; @w<O  
n9N#&Q"7m  
Cc@=?  
偏振态分析 UwZu:[T6H  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 Czq1 kz  
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。 B>{|'z?%>  
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。 _{[k[]  
XulaPq  
=X)Q7u".7  
y;zt_O/  
模拟光栅的偏振态 .WBI%ci  
x%_qJ]o  
5{8x*PSl  
TP{>O%b  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： <WZ1-  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 6F@zCv"w  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 #;wkr))  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 ERUs0na]  
IXbdS9,>F  
Passilly等人更深入的光栅案例。 ZMdM_i?  
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。 0@II&  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 +9F^F>mu  
jl;kcGE  
Cf.pTYSl  
Wv6z%r<  
光栅结构参数 sN6 0o 7.  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 qf_hb  
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。 "z^BKb5  
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。 qk_p}l-F1  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 d9`3EP)n  
3I'M6WA  
t}5'(9  
光栅#1——参数 &:;/]cwj  
假设侧壁倾斜为线性。 ?)Tz'9l  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 fo/ D3  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 dNR7e   
光栅周期：250 nm zF[3%qZE:T  
光栅高度：660 nm =fKhXd  
填充因子：0.75（底部） J0IdFFZ|w  
侧壁角度：±6° %Nwyx;>9^K  
n_1：1.46 *%ed;>6:Q  
n_2：2.08 |#DC.Ga!  
s[0prm5.  
{B'Gm]4  
D)H?=G  
光栅#1——结果 y8<lp+  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 x:f|3"\s  
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。 +Z 93`  
wc<2Uc  
   DBj;P|L_  
OhSt6&+  
光栅#2——参数 xm<5S;E5U4  
假设光栅为矩形。 yDCooX0  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 'DL;c@}37  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 [oQ`HX1g  
光栅周期：250 nm #U",,*2  
光栅高度：490 nm G/LXUhuif  
填充因子：0.5 t7U,AQ=;P5  
n_1：1.46 TS\A`{^T  
n_2：2.08 vSyi}5D  
*tq|x[<  
"6`)vgI~  
tF#b&za  
光栅#2——结果 C:tSCNH[  
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。 h 7(H%(^_  
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
KEop  
   bMK#^ZoH  
3/A[LL|  
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