[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。 O{QA  
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任务说明 J3e96t~u  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 Cbg!:Cws  
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。 *AG#3
16  
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： ZvNJ^Xz  
/j4P9y^]=  
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。 JW{rA6?
 
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： /RNIIY~w  
U}6B*Xx'  
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。 zDw5]*R  
]"t@-PFX<  
光栅结构参数 N/Z2hn/m  
研究了一种矩形光栅结构。 B|R@5mjm  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 \?Z{hmN  
根据上述参数选择以下光栅参数： 6hlc1?  
光栅周期：250 nm ey2S#%DF]  
填充因子：0.5 0O9Ni='Tn  
光栅高度：200 nm 9f2UgNqe9  
材料n_1：熔融石英（来自目录） 4[.oPK=i  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） R%{a1r>9h  
V,mw[Hw  
ur3(HL  
'9S8}q  
偏振态分析 7Nk!1s
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现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 zfc'=ODX  
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。 uEktQ_u[  
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。 ,5|&A  
Yn@lr6s  
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模拟光栅的偏振态 ;*
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2^y^q2(r  
I$<<(VWH  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： ba[1wFmcL  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 &7`^i.fh)  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 X.Rb-@  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 e4!:c^?  
yUZb#%n  
Passilly等人更深入的光栅案例。 F ~^Jmp7Y  
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。 $"FQj4%d  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 F@mQQ  
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_JHd9)[  
光栅结构参数 f|B=_p80  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 :+qF8t[L  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 5_- (<B  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 y0#u9t"Z;  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 x c/}#>ED  
(BTVD,G  
r[BVvX/,F  
光栅#1——参数 XZ
sz/#  
假设侧壁倾斜为线性。 vgsJeV`}I  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 Fh`~`eog  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 sejg&8  
光栅周期：250 nm Ov-icDMm  
光栅高度：660 nm Bwa'`+bC  
填充因子：0.75（底部） Hkwl>R$  
侧壁角度：±6° Y0x%sz5  
n_1：1.46 v.pBX<  
n_2：2.08 <,[cQ
I/  
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yf[~Yl>Ogw  
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光栅#1——结果 .}OR  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 L1cI`9  
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。 )(ImLbM)  
AS =?@2 q  
   @JD;k>  
NWMFtT  
光栅#2——参数 <eQj`HL  
假设光栅为矩形。 Nv(9N-9r  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ldiD2 Q  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 )iYxt:(,  
光栅周期：250 nm v2B0q4*BS?  
光栅高度：490 nm 9y<*8bI  
填充因子：0.5 SKkUU^\#R`  
n_1：1.46 DNr@u/>vB  
n_2：2.08 !HnXXVW  
B"!l2  
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光栅#2——结果 D;;!ODX$?  
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。 ] Hztb  
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。 Uk^B"y_  
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