[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。  &cjE+  
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0D;MW  
R3MbTg  
任务说明 0nkon3H  
2b+0}u>a  
(S:+#v  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 4dDDi,)U  
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。 ]!>ThBMa  
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： ZE#f{qF(  
t@GPB]3[  
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。 <Sxsmf0"  
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： o<`)cb }  
l2
DhFt$!=  
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。 tK<GU.+  
:n3)vK   
光栅结构参数 +39Vxe:Oy  
研究了一种矩形光栅结构。 G)(\!0pNZ  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 ],*^wQ
 
根据上述参数选择以下光栅参数： >*xa\ve  
光栅周期：250 nm 5XO eYO{  
填充因子：0.5 FHNK%Ko  
光栅高度：200 nm :Zy7h7P,lT  
材料n_1：熔融石英（来自目录） `aFy2x`3  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 4(aDi;x"w  
T-Od|T@[  
X-oHQu5  
{(}Mu R  
偏振态分析 o C]tEXJ  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 {~*aXu3  
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。 ;H#'9p,2  
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。 =e7,d$i  
=<-tD<  
>uN`q1?l'  
O_*(:Z  
模拟光栅的偏振态 C;DNL^  
,}M@Am0~  
)k F/"'o  
+):t6oX|  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： 5YJn<XEc  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。
T^-fn  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 Sd;/yC8  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 &tFVW[(  
X!5  
Passilly等人更深入的光栅案例。 }?,Gn]]  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 |irqv< r  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 .p%p_  
tt=?*n  
W4yNET%l,  
'3Ir(]Wfd  
光栅结构参数 fI%+  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 Wxl^f?I`:  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 .xT8@]  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 _S:6;_bz  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 qvz2u]IOw  
7%Zl^c>q  
0N3 cC4!  
光栅#1——参数 Nw@tlT4  
假设侧壁倾斜为线性。 so|5HR|  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 4[za|t  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 ?2VY^7N[  
光栅周期：250 nm ZF :e6em  
光栅高度：660 nm 8tWOV
LquJ  
填充因子：0.75（底部） eqcV70E8cK  
侧壁角度：±6° Q
Rnkj]b  
n_1：1.46 >_QC_UX>4i  
n_2：2.08 l-"c-2-!  
YV*s1t/  
RQI?\?o  
H{'<v|I  
光栅#1——结果 P F!S  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 f[3DK
A  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 Evkb`dU3n  
_Zya GDv  
   vS-k0g;   
Efi@hdEV  
光栅#2——参数 hXi^{ntw,  
假设光栅为矩形。 wZVY h  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 .lfKS!m2  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 n(.y_NEgV!  
光栅周期：250 nm I0 a,mO;m  
光栅高度：490 nm bs!N~,6h  
填充因子：0.5 W B)
<B  
n_1：1.46 }f)$+mi  
n_2：2.08 "bAkS}(hB(  
)xiiTkJd5  
E4RvVfA0F  
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光栅#2——结果 Go3EWM`Cd8  
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。 }}XYV eI  
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。 @sJ[<V  
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