[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。 ~xz3- a/  
|%6zhkoufM  
%*4
Gx +b  
7|=*z  
任务说明 Sw!/IPO  
uYk4qorA  
Q)pm3Wi  
?FC6NEu}8  
简要介绍衍射效率与偏振理论 T/8*c0mU  
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。 c o}o$}  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： VeT\I.K[  
e*[M*u  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 [Tv!Pc  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： 3'(w6V  
9r@T"$V#c  
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。 X8U._/'N  
'MEO?]Tf.^  
光栅结构参数 `9%Q2Al  
研究了一种矩形光栅结构。 n[2[V*|mI  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 ==d@0`  
根据上述参数选择以下光栅参数： >{_`J  
光栅周期：250 nm !M]_CPh]  
填充因子：0.5 +f)Nf)\q  
光栅高度：200 nm  %trtP  
材料n_1：熔融石英（来自目录） <&&xt ?I.  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） =1D* JU  
Epm'u[w
V  
(+g!~MP  
n ETm"  
偏振态分析 T""y)
%  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 | ?Js)i  
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。 @C),-TM  
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。 @=jcdn!\M  
ebF},Q(48  
^:0NKq\  
BS}uv3  
模拟光栅的偏振态 |qra.\
 
oL' :07_  
=Mc]FCV  
TI-#\v9  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： G
6X  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 qcxq-HS2'  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 ]1]  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 ],%}}UN  
!Xt=+aKN  
Passilly等人更深入的光栅案例。 Z+"%MkX0  
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。 b2;Weu3WN  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 ~mUP!f  
Z@j$i\,`  
Hl&]r'bK  
D]+tr%  
光栅结构参数 "HR &Rf k  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 S\<]|tM:x  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 8a{FxCBw  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 VHsNz WI  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 YW"?Fy  
1{+Ni{  
Tr}@fa  
光栅#1——参数 DvnK_Q!  
假设侧壁倾斜为线性。 [|~X~AO%  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ~S Js2-2  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 1'EMYQ  
光栅周期：250 nm wxPg*R+t  
光栅高度：660 nm 2l+O
|R  
填充因子：0.75（底部） ^r=#HQGt  
侧壁角度：±6° ,2?"W8,  
n_1：1.46 Yg%V  
n_2：2.08 #m9V)1"wB  
zx{\SU  
6m21Y8N  
hD58 s"L$  
光栅#1——结果 C<A82u;t%@  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 nZQZ!Vfj  
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。 D00rO4~6D%  
o <LA2q`T  
   &eY$(o-Hw  
+7+ VbsFG  
光栅#2——参数 T$%u=$E%F  
假设光栅为矩形。 FQi"OZHq  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 +
u_mT$|T  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 /S9Mu )1Y  
光栅周期：250 nm Z<y+D-/  
光栅高度：490 nm =fBJQK2sk  
填充因子：0.5 >FHTBh& Y  
n_1：1.46 fx.FHhVu  
n_2：2.08 Uy ;oJY  
oTOe(5N8a  
`Pl=%DR  
/H^bDUC :r  
光栅#2——结果 -<&"geJA  
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。 #:Cr'U  
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。 R|!4Y`  
   [.z1  
~"EkX  
m{Q{ qJ5>  

shubucuo