[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要  w@,zFV  
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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。 13taFVdU  
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任务说明 (o`{uj{
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简要介绍衍射效率与偏振理论 | Bi!  
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。 S]+:{9d  
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： O%bEB g  
>y"+ -7V)  
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。 .9wk@C(Eh_  
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： !KUi\yQ1  
I_]^ .o1q  
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。 %7|9sQ:  
ZHa"isl$e  
光栅结构参数 @;"|@!l|  
研究了一种矩形光栅结构。 9 AJ(&qY(  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 VVlr*`  
根据上述参数选择以下光栅参数： -fDnA4;  
光栅周期：250 nm q.;u?,|E/  
填充因子：0.5 /'/Xvm3  
光栅高度：200 nm 5 sX+~Q  
材料n_1：熔融石英（来自目录） JD|=>)  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） 'dn]rV0(C  
 094o'k  
W)bLSL]`E  
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偏振态分析 7<*yS310
 
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 ^~etm  
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。 j:v@p
zTD  
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。 ?{[ v+t#  
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模拟光栅的偏振态 wfH^<jY)E  
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Bx< <~[Ws}  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： .:F%_dS D  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 LU!a'H'Q  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 t7aefV&_,  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 koug[5T5  
EFM5,gB.m  
Passilly等人更深入的光栅案例。 Y^wW2-,m  
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。 Jcd-
  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 C&
(N I  
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Cx  
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光栅结构参数 ^'PWI{ O  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 m+]K;}.}R  
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。 NXrJfp  
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。 3EPv"f^V  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 N2;B-UF 7  
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光栅#1——参数 [M=7M}f;  
假设侧壁倾斜为线性。 (@fHl=! Za  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 VY7[)  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 I 
7{T  
光栅周期：250 nm Pd_U7&w,5  
光栅高度：660 nm L0TFo_  
填充因子：0.75（底部） ivJ@=pd)B  
侧壁角度：±6° 8;JWK3Gv  
n_1：1.46 n{argI8wF  
n_2：2.08 k_rt&}e+Gi  
|ATvS2  
&w_j/nW^'  
g}1B;zGf  
光栅#1——结果 ,l\-xSM  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 G[uK-U  
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。 h-`?{k&e  
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光栅#2——参数 KPKt^C  
假设光栅为矩形。 vXrx{5gz  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 U:0mp"  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 NJWA3zz   
光栅周期：250 nm 1#< '&Lr  
光栅高度：490 nm 3M[!N  
填充因子：0.5 $r@zs'N  
n_1：1.46 bN1|q|9  
n_2：2.08 *&^Pj%DX  
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BYL)nCc  
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光栅#2——结果 On9A U:\  
这两幅图对比之下再次显示出非常好的匹配度，特别是图表的趋势。 FpmM63$VN[  
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。 k8&;lgO'  
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