[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 BL"7_phM,  
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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。  _-9cGm v  
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任务说明 KDH<T4#x  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 ou<,c?nNM  
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*9O39&|  
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：
x;Slv(|M  
YhqMTOw  
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。 y~VI,82*  
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： Chx+p&!  
2% OAQ(  
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。 ,CuWQ'H  
%H,s~IU  
光栅结构参数 W8;!rFW  
研究了一种矩形光栅结构。 Kpa$1x  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 5C^@w
 
根据上述参数选择以下光栅参数： %H2ios[UO  
光栅周期：250 nm ' 2O@  
填充因子：0.5 p8?v o?^  
光栅高度：200 nm 5Dz$_2oM3  
材料n_1：熔融石英（来自目录） a(ITv roM/  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） J_-fs#[x  
`Pc<0*`a  
'3WtpsKA  
<V Rb   
偏振态分析 u]9\_{c]Q  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 ;gD\JA  
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。 D}j`T  
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。 ASre@pW  
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模拟光栅的偏振态 Zj'%c2U_  
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jX(hBnGW  
n+te5_F  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： /kg#i&bP~  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 Hbd>sS  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 1 <+aF,  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 't0M+_J  
;FRUB@:
 
Passilly等人更深入的光栅案例。 o
OU_ Nay  
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。 "42/P4:  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 #jW=K&;
 
n-yUt72  
.g\Oj0Cbxh  

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光栅结构参数 1gbFl/i6T  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 Q{L:pce
-  
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。 ' BS.:^  
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。 $sE=[j'v  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 >X'-J{4R  
J{Kw@_ypP  
nReld :#T  
光栅#1——参数 3?I!  
假设侧壁倾斜为线性。 qqf*g=f  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ||awNSt  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 n$r`s`}  
光栅周期：250 nm ipbhjK$  
光栅高度：660 nm }X^MB  
填充因子：0.75（底部） MJ1qU}+]  
侧壁角度：±6° orH6R8P]  
n_1：1.46 -OlrA{=c_  
n_2：2.08 %oTBh*K'o  
,6X;YY  
#X?[")R  
h72/03!  
光栅#1——结果 &{a!)I>  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 ng!cK<p  
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。 MyllL@kP  
iBSg`"S^]C  
   c&',#.9  
L'?aoRj  
光栅#2——参数 ,.cR@5qI  
假设光栅为矩形。 a'?;;ZC-  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 t~/:St  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 Z
ja3HGL  
光栅周期：250 nm vf{$2rC  
光栅高度：490 nm t:fz%IOe  
填充因子：0.5 Cd 2<r6i  
n_1：1.46 az0=jou<Zl  
n_2：2.08 $) "\N  
<KU0K  
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(4/"uj5  
光栅#2——结果 Jcze.t  
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。 B=& [Z2  
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。 #xGP|:m  
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