[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。 x(pq!+~K  
Vz[E)(QX-`  
feU]a5%XZ  
 O_^O1  
任务说明 z(V?pHv+  
f'P}]_3(  
^PA[fL"  
,S[,F0"%  
简要介绍衍射效率与偏振理论 DID&fj9m  
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。 8fA9yQ8  
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： &Uq++f6  
O92a*)  
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。 64xq@_+  
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：
Q M7z .  
9QE|
p  
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。 dJID '2a  
gSLwpIK
%  
光栅结构参数 uis;S)+  
研究了一种矩形光栅结构。 O0OBkIj  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 b[p<kMTir  
根据上述参数选择以下光栅参数： 94C)63V  
光栅周期：250 nm *AX)QKQ@  
填充因子：0.5 U U!M/QJ  
光栅高度：200 nm FD>j\  
材料n_1：熔融石英（来自目录） zWvG];fsN  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） ]yu,YZ@7  
+W|MAJtg  
3?|gBi
X  
jCdKau&9  
偏振态分析 $mFsf)1]]?  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 ^,S\-Uy9  
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。 4
 4%jz-m  
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。 <qZ"W6&&  
+LddW0h+=8  
h $)thW  
+<&\*VR  
模拟光栅的偏振态 iw1((&^)"  
63:0Vt>hZ^  
T3 xr Ua&  
/E>z8J$  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： pL`snVz  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 CORX .PQ  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 ?3 J  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 }gi>Z  
cG
SoAK  
Passilly等人更深入的光栅案例。 %-"?  
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。 ,Yhy7w  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 xh[4d  
w`XwW#!}@$  
.&2pZ  
*8k`m)h26  
光栅结构参数 6S?a57;&W  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 6_/oVvd  
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。 $$YLAgO4  
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。 %8iA0t+  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 -,jJ{Y~  
-eAo3  
$IUP;  
光栅#1——参数 5vIuH+0  
假设侧壁倾斜为线性。 t!^FWr&  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 =QEg~sD^)s  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 2=tPxO')B  
光栅周期：250 nm rN? L8  
光栅高度：660 nm .K^'Q|?  
填充因子：0.75（底部） A?Jm59{w  
侧壁角度：±6° 'N,3]Soi  
n_1：1.46 Q6?+#}  
n_2：2.08
M64zVxsd  
+T[3wL~  
:K{`0U&l5  
bTC2Ya  
光栅#1——结果 "hz(A.THi  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 HC w$v#  
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。 v}dt**l  
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Av]LW  
   4@#1G*OO  
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光栅#2——参数 Y%qhgzz?/  
假设光栅为矩形。 >rlQY>5pH  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 LXIlrZ9D5  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 Mr:*l`b_  
光栅周期：250 nm |w[}\#2  
光栅高度：490 nm Zx25H"5j  
填充因子：0.5 $V?zJ:a>L  
n_1：1.46 hXS'*vO"  
n_2：2.08 'xZxX3  
Bt,qG1>$-  
0<{/T*AU:  
&dvJg  
光栅#2——结果 S$%/9^\jF  
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。 DLyHC=%{+h  
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。 $Z10Zf=  
   (o^V[zV  
=B1t?("  
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