[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。 Q3 u8bx|E  
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任务说明 :# .<[  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 %6t2ohO"  
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。 UELy"z R  
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： ]ro*G"-_1#  
eIz<)-7:  
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。 +@94;me  
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： Fgp]l2*  
v:!Z=I}>  
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。 byLft1  
{ &"CH]r  
光栅结构参数 M!/Cknm  
研究了一种矩形光栅结构。 <}E!w_yi  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 d/ARm-D  
根据上述参数选择以下光栅参数： P,xKZ{(  
光栅周期：250 nm q
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填充因子：0.5 JTr vnA  
光栅高度：200 nm `}(b2Hc>  
材料n_1：熔融石英（来自目录） }])oM|fgO  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） XiL~TCkx4  
F$ #U5}Q  
~rDZ?~%  
6kNrYom  
偏振态分析 S<VSn}vn  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 3on7~*  
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。 iH/6M  
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。 jzDuE{  
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*A"~m!=  
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模拟光栅的偏振态 Fx;QU)1l3  
P>s[tM  
#:[t^}  
swK-/$#  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： S 5/R_5  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 g]4(g<:O  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 }% `.h"  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 *:Vq:IU[D  
cki81bOT  
Passilly等人更深入的光栅案例。 PcA2/!a  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 ^Pbk#|$rU  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 `8AR_7i  
X$ s:>[H  
@6wFst\t  
do*EKo  
光栅结构参数 ;$smH=I  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 ^>i63Yc  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 r[4tPk  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 X~lVVBO  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 `%+Wz0(K  
NWMFtT  
<eQj`HL  
光栅#1——参数 Nv(9N-9r  
假设侧壁倾斜为线性。 ldiD2 Q  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 )iYxt:(,  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 v2B0q4*BS?  
光栅周期：250 nm 9y<*8bI  
光栅高度：660 nm v^#~98g]  
填充因子：0.75（底部） DNr@u/>vB  
侧壁角度：±6° !HnXXVW  
n_1：1.46 B"!l2  
n_2：2.08 R)QC
)U  
.P[ _<8  
S/9DtXQ  
-'t)=YJ  
光栅#1——结果 KY51rw.  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 czS+< w  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 n=y[CKS  
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   ,N!o  
mt,OniU=Q  
光栅#2——参数 ;[M}MFc/`  
假设光栅为矩形。 X!9 B2w  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ~N<4L>y<  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 W g02 A\  
光栅周期：250 nm zi]\<?\X  
光栅高度：490 nm e[&L9U6GW-  
填充因子：0.5 \$*7 >`k  
n_1：1.46 FVaQEMZ^  
n_2：2.08 J&.{7YF  
5hQE4/hH  
-"=U?>(  
M$/|)U'W  
光栅#2——结果 u>kN1kQ8  
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。 P<M?Qd1.  
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。 kXi6lh  
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