[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。 J5@08bZm  
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任务说明 :}Jx  
{+N< 9(O  
lED!}h'4  
Xj?Wvt  
简要介绍衍射效率与偏振理论 # @\3{;{R  
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。  ` Xc7b  
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： #J5BHY~  
pP\Cwo #,
 
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。 jzvK;*N  
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： sYTz6-  
,5'o>Y  
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。 l,ny=Q$[1'  
$+eeE  
光栅结构参数 g/?Vl2W  
研究了一种矩形光栅结构。 WR+j?Fcf  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 c '|*{%<e2  
根据上述参数选择以下光栅参数： p^l#Wq5  
光栅周期：250 nm +/OSg.  
填充因子：0.5
a[{qb  
光栅高度：200 nm +)jUA]hJ/  
材料n_1：熔融石英（来自目录） aRd~T6I  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 3ML][|TR  
T2{e1 =Z7  
"tEp8m  
?pL|eS7  
偏振态分析 HG]ARgOB  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 ,@"yr>Q9#6  
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。 31n"w;  
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。 $-_" SWG.  
%$BRQ-O  
H`[FC|RYyE  
5-dt0I@<  
模拟光栅的偏振态 +h)"m/mE  
VPCI5mS_  
B'/U#>/  
gI:g/ R  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： t Cuvb  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 tpI/Ibq  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 *0U#Z]t  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 b"g^Jm! j  
* :"*'  
Passilly等人更深入的光栅案例。 UMcM&yu-  
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。 g4W
$MI  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 -]%EX:bm  
k|fM9E  
q NGR6i  
hB?#b`i^  
光栅结构参数 lp*5;Ls'q  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 /%YW[oY{V  
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。 ,Csdon
  
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。 1$Up7=Dr=  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 kV-<[5AWW  
DksYKv  
$.,PteYK  
光栅#1——参数 bbL\xq^  
假设侧壁倾斜为线性。 lyL6w1  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 %6ckau1_;  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 3qV^RW&  
光栅周期：250 nm o*T?f)_[p  
光栅高度：660 nm <?7CwW  
填充因子：0.75（底部） Ust +g4  
侧壁角度：±6° +;,{`*W+N  
n_1：1.46 74_?@Z(  
n_2：2.08 pI@71~|R  
5N9Cd[4  
%/eG{oh-  
TF%n1H-sF  
光栅#1——结果 Uahh|>s  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 `!8\
|/  
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。 "t2T*'j{  
8;M,l2pmR{  
   k(f),_  
m
bA
zn  
光栅#2——参数 l@4pZkdq  
假设光栅为矩形。
HOD?i_  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 g.\b@0Uy'  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。
:7@[=n
  
光栅周期：250 nm
[w](x  
光栅高度：490 nm H Qj,0#J)  
填充因子：0.5 HX.K{!
5  
n_1：1.46 $y;w
@^  
n_2：2.08 ]xf89[;0  
/@"mQx~[q  
Rd(8j+Q?ps  
"'BDVxp'w  
光栅#2——结果 h5{//0 y  
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。 U["<f`z4\  
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。 {F_>cyR  
   *wAX&+);  
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