摘要 V/|Ln*rm
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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。 Bw"L!sZ
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任务说明 8ne'x!1 D
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简要介绍衍射效率与偏振理论 Q-}oe Q
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。 t2+m7*76
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： 4ej$)AdW3
nH % /
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。 h&yaug,.
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： u[ s +YGS
jzEimKDE's
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。 \I,<G7!0
7= T0Sa*;
光栅结构参数 ClV MZ
研究了一种矩形光栅结构。 tq@<8?
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 fdd3 H[
根据上述参数选择以下光栅参数： 0,m*W?^31
光栅周期：250 nm AGCqJ 8`|T
填充因子：0.5 G~4 ^`[elB
光栅高度：200 nm zK:/
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材料n_1：熔融石英（来自目录） v 1 oS f
材料n_2：二氧化钛（来自目录） #) >>f
f*5=, $0
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偏振态分析 !M^pL|
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 _V:D7\Gs
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 M?$-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。 <ze' o.c
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模拟光栅的偏振态 {Fb) Z"8]
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： sur2Mw (M"
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 % 7
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对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 %iD>^ Dp
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 &% M^:WT
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Passilly等人更深入的光栅案例。 =n id #<X
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。 eX _}KH-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。 \3)%p('
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光栅结构参数 !0Q(x
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 `$@1NL7>
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 y-sQ"HPN
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 "_#%W
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但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 Qr0JJoHT
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光栅#1——参数 3\D jV2t
假设侧壁倾斜为线性。 wau81rSd
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 9=<
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为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 S~6<'N&[
光栅周期：250 nm j*xe ns$)
光栅高度：660 nm dc?Yk3(Y
填充因子：0.75（底部） oTx#e[8f{
侧壁角度：±6° P9 %9/ B:-
n_1：1.46 e2B~j3- ?z
n_2：2.08 o@pM??&x
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光栅#1——结果 ,Y!T!o} 1
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。
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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。 *$l8H[
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光栅#2——参数 1.>sG2*P
假设光栅为矩形。 #d| .Bx H
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 B:x4H} `vh
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 {g
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光栅周期：250 nm 5.\!k8a
光栅高度：490 nm E-"Jgq\aC
填充因子：0.5 _t ;w n7p
n_1：1.46 m
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n_2：2.08 }%XNB1/`
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光栅#2——结果 3G>E>yJ
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。 Gu_s:cgB9F
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。 r% B5@+{so
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