[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。 n!UMU^  
#'J~Xk   
*TJBPM,  
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任务说明 DapQ}2'_  
9Tzc(yCY  
W.yV/fu  
R&NpdW N  
简要介绍衍射效率与偏振理论 r@|R-Binz  
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。 >lA7*nn  
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： nHI(V-E2:H  
kjx>  
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。 @kwLBAK}@  
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： lP}od  
hX0RET  
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。 D8k*0ei&  
Vn)%C_-]A  
光栅结构参数 d>YmKTk"  
研究了一种矩形光栅结构。 x HY+q;  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 ])N|[|$  
根据上述参数选择以下光栅参数： `if
b<T  
光栅周期：250 nm h^['rmd  
填充因子：0.5 BD hLz  
光栅高度：200 nm uP
FRh~ (b  
材料n_1：熔融石英（来自目录） B:e.gtM5  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 40 A&#u9o  
CIIY|DI`l  
ktN%!Mh\  
M,&tA1CH  
偏振态分析 grGhN q  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 zs4>/9O  
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。 ?x:m;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。 +VwV5iy[`  
MO[c0n%  
et@">D%;]  
,r@xPZPz:e  
模拟光栅的偏振态 ex.+'m<g  
dI!8S  
v,n);  
}|A
X_=a  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： V:(y*tFA  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 JK[T]|G  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 NK8<= n%"  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 [C~fBf5  
5n:nZ_D  
Passilly等人更深入的光栅案例。 uG4$2  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 Y^4q9?2G  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 aXC!t  
YmOldR9v(  
n4Vwao/9x  
(m6EQoW^s+  
光栅结构参数 6Ux[,]GK  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。
S[Vtq^lU  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 #?_#!T|  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 3]N q@t  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 I<sfN'FpT  
87pnSj/X"  
]Z=Ij gr$  
光栅#1——参数 >#INEO  
假设侧壁倾斜为线性。 l/[pEUYU  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 Ha?G=X  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 F9%,MSt  
光栅周期：250 nm 7vw;Egd@@-  
光栅高度：660 nm Cc2MYm8  
填充因子：0.75（底部） 36nyu_h:R  
侧壁角度：±6° MBlBMUJk  
n_1：1.46 p:Oz<P  
n_2：2.08 #vtN+E  
55^tfu  
z4bN)W )p  
p=H3Q?HJ}  
光栅#1——结果 Q<1L`_.>  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 lirNYJ]tO  
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。 ,[Ag~.T  
P8<hvMF  
   MF^_Z3GS'  
>otJF3zw  
光栅#2——参数 PYu$1o9+N  
假设光栅为矩形。 eSn$k:\W  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 3-iD.IAUm@  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 !j0_ cA  
光栅周期：250 nm TU%bOAKF\  
光栅高度：490 nm (vnoP< 0  
填充因子：0.5
#~S>K3(  
n_1：1.46 =HS4I.@c_5  
n_2：2.08 \ADLMj`F|  
T{tn.sT  
e?P%wqB  
F5U|9<  
光栅#2——结果 ^&NN]?  
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。 85D? dgV  
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。 e^8BV;+c  
   >azEed<B  
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