[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。 *au&ODa  
b;\qF&T  
` c~:3^?9d  
kE QT[Lo  
任务说明 ,lm.~%}P*  
:HhLc'1Jw  
p1t9s N,  
061@N=p8  
简要介绍衍射效率与偏振理论 *,1^{mb  
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。 ]D&$k P(  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： fx|$(D@9  
A S;ra,x  
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。 j
i{V#  
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： bG nBV7b  
u>:sXm
 
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。 \2i4]
V  
N(mhg
C<O  
光栅结构参数 O6gI%Jdp  
研究了一种矩形光栅结构。 ehj&A+Ip  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 ==I:>+_^|  
根据上述参数选择以下光栅参数： eG
26m_S=  
光栅周期：250 nm u#XNl":x  
填充因子：0.5 0hcrQ^BB!b  
光栅高度：200 nm `.nkC_d  
材料n_1：熔融石英（来自目录） s9) @$3\  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） [>#?C*s  
Mvoi   
B&|F9Z6D  
k{Yj!C> #  
偏振态分析 R^P~iAO  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 kV"';a  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 EL80f>K  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 1R9hA7y&,/  
e#IED!U  
/HH5Mn*  
s&Y~48{  
模拟光栅的偏振态 +#O?a`f  
%YefTk8cr,  
HB`u@9le  
F>&Q5Kl R  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息：
yJ8WYQQMG  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 4W}8?&T  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 20;M
-Wx  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 95^w" [}4Q  
%stZ'
IX  
Passilly等人更深入的光栅案例。 0iqa]Am  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 qQ%zSJ?  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 L<]j&  
i{PRjkR  
/ow/)\/}  
F6Zl#eL  
光栅结构参数 :6PWU$z$7  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 g"]%5Ow1  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 F>2t=r*9  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 K$(&Qx}  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 <=n$oMO  
Wcn3\v6_  
z^I"{eT8  
光栅#1——参数 hFuS>Hx  
假设侧壁倾斜为线性。 ~}w(YQy=y  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 uF9p:FvN8  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 qrO]t\  
光栅周期：250 nm c3&F\3  
光栅高度：660 nm ja70w:ja  
填充因子：0.75（底部） "Q
'#V!  
侧壁角度：±6° u].=b$wHHM  
n_1：1.46 #*#4vMk<  
n_2：2.08 8dq{.B?  
D<5)i)J"  
}qT @.  
%l[Cm4  
光栅#1——结果 xZPSoxu  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 `23&vGk}  
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。 =A9>Ej/  
3lhXD_Y  
   }b2U o&][  
iyU@|^B"Wa  
光栅#2——参数 @JE:\  
假设光栅为矩形。 rAIX(2@cR_  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 Fp4eGuWH#  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 `da6}Vqj:  
光栅周期：250 nm ?(>7v[=iT  
光栅高度：490 nm !tv3.:eT  
填充因子：0.5 2:MB u5**  
n_1：1.46
YTQ|Hg6jO  
n_2：2.08 's@v'u3  
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gWqmK/.U.0  
光栅#2——结果 26>e0hBh&  
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。 JM -Tp!C>  
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。 7!hL(k[  
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