[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。  I}rGx  
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任务说明 prqT(1  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 Lp!0H `L  
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。 m'3OGvd  
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： |1lf(\T_  
xSx&79Ez<*  
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。 "-28[a3q  
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： *&h6*zP?  
L!?v BL  
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。 >eEnQ}Y  
/i> ?i@O-  
光栅结构参数 LgO i3  
研究了一种矩形光栅结构。 ?ISI[hoc  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 ;,mBT[_ZO  
根据上述参数选择以下光栅参数： H]VsOr  
光栅周期：250 nm 8?A@/  
填充因子：0.5 ^dheJ]n=k  
光栅高度：200 nm SgyqmYTvZw  
材料n_1：熔融石英（来自目录） cO8`J&EK  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） ]!]`~ Z/  
0BT;"B1  
'_k>*trV  
QjehDwt|  
偏振态分析 =_K%$y*  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 i<'
{Y  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 A>4l/  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 ,:c:6Y^  
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*Ro8W-+  
Z@<q/2).|  
模拟光栅的偏振态 f:n]Exsy  
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/;zZnF\e  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： 5wT',U"+  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 V#p G; ,  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 zfM<x,XdY  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 Tbe_xs^  
V;M3z9xd  
Passilly等人更深入的光栅案例。 '~ j
y  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 ztRWIkI q  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 V
C/R)%@%  
Z}]:x `fXd  
emGV]A%nss  
HR/k{"8W4Q  
光栅结构参数 i)A`Vpn  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 e}{8a9J<%_  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 0SAG6k~x  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 ##SLwrg  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 I@8+k&nXS  
:7HVBH  
dL1~]Z y  
光栅#1——参数 wJ;9),fL  
假设侧壁倾斜为线性。 9nP*N`  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 c@0l-R{q  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 #R~">g:w  
光栅周期：250 nm uYG #c(lc  
光栅高度：660 nm 3MS3O.0]/  
填充因子：0.75（底部） f]@[4<Ny  
侧壁角度：±6° >WGX|"!"  
n_1：1.46 &xPOp$Sx~  
n_2：2.08 &6|6J1c8  
T{5M1r  
|[lxV&SD.  
yb@X*PW
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光栅#1——结果 cP}
5}+  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 TMnT#ypf<5  
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。 B`'}&6jr.  
7)ES!C  
   &F@tmM~  
;/6:lL  
光栅#2——参数 Zq2H9^![y~  
假设光栅为矩形。 bTA14&&q  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ~m,mvRS  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 +iZ@.LI  
光栅周期：250 nm qiwQUm{  
光栅高度：490 nm YyX^lL_  
填充因子：0.5 ];
YglHH  
n_1：1.46 vZ1D3ytfG  
n_2：2.08 QjW~6Z.tI  
VfJX<e=k  
QrrZF.
 
8ESkG  
光栅#2——结果 =6"hj,[Q  
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。 ~@a) E+LsF  
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。 ;I0yQlx|U  
   g*"J10hyP  
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