[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 a%AU9?/q#  
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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。 f5G17: Q  

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任务说明 Ki'EO$  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 toQn]MT  
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。 
F/!C=nS  
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： $/D@=Pkc  
9A6ly9DIS  
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。 89L-k%R  
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： S"Efp/-  
Ad"::&&Wk  
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。 `Q{kiy  
BjB2YO& /  
光栅结构参数 DF|qNX  
研究了一种矩形光栅结构。 9oaq%Sf  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 iBZ+gsSP  
根据上述参数选择以下光栅参数： 2/;
KZ+U&  
光栅周期：250 nm >Mn"k\j4  
填充因子：0.5 ]-R8W/fDn  
光栅高度：200 nm p@!"x({@
l  
材料n_1：熔融石英（来自目录） o?b"B+#  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） #0mn_#-P)  
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[0 W^|=#K  
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偏振态分析 ^lQe

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现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 sx/g5?zh  
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。 s#d>yx_b  
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。 o77HRX  
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模拟光栅的偏振态 v+\E%H  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息： Tp9LBF  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 !1!uB }  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 MxCs0::
w  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 %D&FnTa  
:}E*u^v K  
Passilly等人更深入的光栅案例。 :\.v\.wm  
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。 {xOu*8J  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 OnG!5b  
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光栅结构参数 UH[ YH;3O  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 6H3_qx  
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。 -,Q<*)q{  
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。 `RjcJ?r  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 F9d][ P@@  
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YrB-;R1+  
光栅#1——参数 EK#w: "  
假设侧壁倾斜为线性。 xE
+Go  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ysL8w"t  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 J,E&Uz95%  
光栅周期：250 nm 'dBzv>ngD  
光栅高度：660 nm JhuKW>7  
填充因子：0.75（底部） #8[,w.X  
侧壁角度：±6° d/7c#er  
n_1：1.46 V,2O`D%  
n_2：2.08 A@`C<O ^  
#?aR,@n  
Q>X ;7nt0  

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光栅#1——结果 +[z(N  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 E{j6OX\  
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。 ]bRu8
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光栅#2——参数 <nIU]}q  
假设光栅为矩形。 F@?QVdY1q7  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 qHvW{0E  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 1AhL-Lj  
光栅周期：250 nm OxqP:kM  
光栅高度：490 nm |z5olu$gVc  
填充因子：0.5 <01MXT-  
n_1：1.46 6C)OO"Bc  
n_2：2.08 c5U1N&k5&  
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光栅#2——结果 4N*^%  
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。 } 1c5#Ym  
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。 O  89BN6p  
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