[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 }QCn>LXE  
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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。 GUJ?6;  
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任务说明 y34<B)Wy  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 qd'Z|'j  
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。 k|jr+hmn":  
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： m3(p7Z^Bq  
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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。 n0V^/j}  
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： M D&7k,!  
HqyAo]{GN  
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。 V1Gnr~GM  
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光栅结构参数 SUvrOl   
研究了一种矩形光栅结构。 D mky!Cp
 
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 g^jTdrW/s  
根据上述参数选择以下光栅参数： >oi?a
D%  
光栅周期：250 nm L)9Z Op5  
填充因子：0.5 `Hu2a]e9  
光栅高度：200 nm nYBa+>3BDf  
材料n_1：熔融石英（来自目录） fMM%,
/b{  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） PH^Gj
m  
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偏振态分析 oDt{;S8|]  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 {#pwrWG  
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。 *q[;-E(fZ#  
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。 ^HE@ [b  
pWH,nn?w.  
|GP&!]  
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模拟光栅的偏振态 P%!=Rj^2m  
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& Yx12B\  
`UqX`MFz  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： $(*>]
PC+)  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 B;piO-hH  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 7 Z? Hyv  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 #]gmM  
M7&G9SGZ  
Passilly等人更深入的光栅案例。 NQvI=R-g  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 Z B!~@Vf  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 mwI7[I2q  
Y; to9Kv$  
N\rL ~4/  
*{\))Zmhd  
光栅结构参数 YPCitGBl  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 v?%vB#A^  
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。 1i)3!fH0:  
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。 ~sq@^<M)s  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 *D9H3M[o#  
{.y_{yWo  
7QoMroR  
光栅#1——参数 $3%+N|L  
假设侧壁倾斜为线性。 deTD|R  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 !?+q7U  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 ]IzD`  
光栅周期：250 nm pmO0/ty  
光栅高度：660 nm j5]ul!ji  
填充因子：0.75（底部） 4GXS(  
侧壁角度：±6° 2Vw2r@S/  
n_1：1.46 Z aS29}  
n_2：2.08 a(ml#-M  
m^,VEV>  
aeAx0yE[p  
wkV'']= Xg  
光栅#1——结果 @g]EY&Uzl  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 yO*   
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 !+QfQghAT  
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   }Gy M<!:  
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光栅#2——参数 |{_>H'  
假设光栅为矩形。 c& bms)Jwa  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 evNe6J3  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 i$<")q  
光栅周期：250 nm zgH*B*)bj  
光栅高度：490 nm *;~u 5y2b  
填充因子：0.5 Fop +xR,Z  
n_1：1.46 5O Y5b8  
n_2：2.08 U4yl{?  
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n\f]?B(  
bMNr +N  
光栅#2——结果 .aVtd [  
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。
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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。 XrWWV2[  
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