[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。 s!IX3rz  
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任务说明 ~:JoKm`vU  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 +,Ud 3iS  
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。 9}|x N8  
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： WEaG/)y  
w!%"b03q  
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。 PQd*)6K:A  
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： Qx")D?u  
\; voBU  
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。 T?g%I  
{1eW*9  
光栅结构参数 <rihi:4K  
研究了一种矩形光栅结构。 0SV<Pl^  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 gbrn'NT  
根据上述参数选择以下光栅参数： eKUP,y;[I  
光栅周期：250 nm 41v#|%\w  
填充因子：0.5 <GWzdj?  
光栅高度：200 nm ]*Cq'<h$  
材料n_1：熔融石英（来自目录） ^qY?x7mx1  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） S[;d\Z]~  
XiL[1JM  
gs"w 0[$  
p:NIRs  
偏振态分析 OQ&'3hv{  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 "
h5.^5E6  
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'nXV{N0  
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。 s'^sT=b  
7_Op(C4,nC  
0z$::p$%u  
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模拟光栅的偏振态 LO;?#e7  
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R=J5L36F  
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7{ e~U  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： #9glGPR(  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 MW2{w<-]7  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 K=Z.<f  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 /o^/J~/3  
-
i#Kpf  
Passilly等人更深入的光栅案例。 'Rb tcFb  
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。 n52Q-6H  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 | Rj"}SC  
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Z,oC
kv("n  
ZY|$[>X!  
光栅结构参数 0!b9%I=j  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 9S|a!9J  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 &;naaV_2T  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 CB0p2WS_  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 v~A*?WU;n  
9>@Vk vpY  
Vb)NWXmyu  
光栅#1——参数 M0$_x~  
假设侧壁倾斜为线性。 '!F'B:  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 8},:  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 zHKx,]9b  
光栅周期：250 nm Qb5@e#  
光栅高度：660 nm N F,<^ u  
填充因子：0.75（底部） F/cA tT.M?  
侧壁角度：±6° ?vfZ>7Q  
n_1：1.46 iS< ^MD  
n_2：2.08 %NDr5E^cc  
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/E!N:g<  
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光栅#1——结果 )nG

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这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 YkbuyUui  
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。 _\gCd
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V`8\)FFG  
   ~RH)iI  
<.2jQ#So  
光栅#2——参数 c^<~Y$i  
假设光栅为矩形。 =!G{+&j  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ^zW=s$\Fo  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 #-o 'g!  
光栅周期：250 nm /P
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光栅高度：490 nm V%B~ q`4  
填充因子：0.5 h\2iArw8  
n_1：1.46 [FZq'E"87  
n_2：2.08 4hxa|f  
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光栅#2——结果 J0imWluhQ  
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。 >?#zPweA  
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。 K)  Ums-b  
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