[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。 0[YksNNl1  
FU*q9s`  
N@X6Z!EO  
@`B_Q v@  
任务说明 $rQ7"w J  
TEer>gD:v  
Yevd h<  
PL31(!`@d  
简要介绍衍射效率与偏振理论 s4f{ziLp  
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。 )j}#6r   
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：  $P8AU81  
0R
SzDgX  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 ryzNM3  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： .*"KCQGOgM  
SCn)j:gH;  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 4,YL15.  
<h+UC# .x  
光栅结构参数 _I,GH{lhI  
研究了一种矩形光栅结构。 7NOF^/nU  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 o+k*ia~Fa  
根据上述参数选择以下光栅参数： M;AvOk|&  
光栅周期：250 nm W%&s$b(  
填充因子：0.5 o)b-fAd@$  
光栅高度：200 nm -~J5aG[@~>  
材料n_1：熔融石英（来自目录） i&\ >/ 1  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） x@)cj  
{ktwX\z  
U
r1kb{i  
($UUgjv F  
偏振态分析 3 Sf':N`u  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 b,jo94.G  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 u+6L>7t88I  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 k MV1$  
 (t@!0_5  
E}0g  
e=#D1
  
模拟光栅的偏振态 c1R[Hck  
iW9  
\v{HjqVkC  
]TtID4qL  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： 2"}Vfy  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 )L":I  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 t1yfSStp  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 :1"k`AG  
Bz%wV-  
Passilly等人更深入的光栅案例。 eQ[}ALIq  
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。 
2zv:j7  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 tblduiN   
V4n;N  
Ne3YhCC>  
K,PN:  
光栅结构参数 ?} E M,  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 i>-#QKqJ  
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。 y La E]  
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。 /&czaAR-  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 ?y"M>#  
:7Uv)@iUk  
f
b[lL7  
光栅#1——参数 xd"+ &YT  
假设侧壁倾斜为线性。 j`Ek:  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 {}RU'<D  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 q^ &r<i  
光栅周期：250 nm f?16%Rk<  
光栅高度：660 nm f1U8 b*F<  
填充因子：0.75（底部） DV>;sCMJ %  
侧壁角度：±6° H_| re  
n_1：1.46 $|[N3  
n_2：2.08 B o%Sl  
/m^G 99N  
#IDLfQ5g  
Oi@|4mo  
光栅#1——结果 bkpN`+c  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 g"c7$  
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。 x]R0zol  
%z.d;[Hs  
   ;"RyHow  

COBjJ3  
光栅#2——参数 !HhF*Rlr  
假设光栅为矩形。 \PG_i'R  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 *]Cyc<  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 B
e^"sC  
光栅周期：250 nm >@-.rkd(  
光栅高度：490 nm ,iZKw8]f  
填充因子：0.5 XJwgh y?(  
n_1：1.46 _[l&{,  
n_2：2.08 tqpi{e  
?s)6 YF  
Ul 85-p  
~RBa&Y=Mb  
光栅#2——结果 w?M"`O(  
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。 _)YB
*z5  
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。 VpY,@qh  
   j+gh*\:q  
q@wX=  
<QaUq`,  

shubucuo