[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 'r1&zw(  
S)g5Tu)  
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。 !6<2JNf  
.&r] ?O  
seAkOIc  
L$@RSKYp  
任务说明 $Ae/NwIlc  
K<Yh'RvTD  
BAoqO Xv  
2Y 6/,W  
简要介绍衍射效率与偏振理论 E6)FYz7x  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 1%EY!14G+  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： j?w7X?1(  
n)`*{uv$  
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。 WHE*NWz>q  
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： webT
 
A|RAMO@le  
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。 dUjdQ  
H7qda'%>  
光栅结构参数 `;cKN)Xk  
研究了一种矩形光栅结构。 =N7N=xY  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 LfgR[!  
根据上述参数选择以下光栅参数： ^o?.Rph|i]  
光栅周期：250 nm #B+2qD>E  
填充因子：0.5 NSHlo*)}  
光栅高度：200 nm kP8Ypw&  
材料n_1：熔融石英（来自目录） 5r zB"L  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） q%>L/KJ#  
)%ja6
Vg  
Grjm9tbX}  
ZV;
#ZXch  
偏振态分析 m"U\;Mw?  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 >b{%j8uM  
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。 C=PBF\RkKu  
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。 DeXnE$XH  
mGL%<4R,  
00b )Bg  
deeOtco$LT  
模拟光栅的偏振态 g-*@I`k[  
 ZfvFs  
Hk6Dwe[y  
zhN'@Wj'_  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： MHxv@1)K|Y  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 [eWB vAiW  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 u1]5qtg"  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 eKStt|M'  
N{Is2Ia  
Passilly等人更深入的光栅案例。 ]^Q`CiKd  
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。 u:m]-'  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 -u{k  
e?Cbl'
 
38Wv&
!  
rm"bplLZA  
光栅结构参数 n$b/@hp$z  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 =euoSH D
}  
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。 dAAE2}e  
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。 /ebYk-c  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 AV&W&$  
vhhsOga  
WgxlQXi-B  
光栅#1——参数 .`,YUr$.  
假设侧壁倾斜为线性。 C@Wm+E~;8  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 {W0]0_mI(  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 >nl*aN  
光栅周期：250 nm T+2?u.{I  
光栅高度：660 nm *;o=hM)Tp  
填充因子：0.75（底部） )cOm\^,  
侧壁角度：±6° :&TOQ<vM  
n_1：1.46 Sf*VkH  
n_2：2.08 @~a52'\  
gL}K84T$S  
g~Q#U;]  
[#2= w  
光栅#1——结果 AK[9fxrE  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 6dg[  
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。 L:B&`,E  

2@^8{  
   \h #vL  
//6m2a  
光栅#2——参数 JBjz2$ZM  
假设光栅为矩形。 Ye1P5+W(  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 `9$?g|rB  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ICV67(Ui  
光栅周期：250 nm bJ/~UEZw  
光栅高度：490 nm ,L
_p"A  
填充因子：0.5 =ohdL_6  
n_1：1.46 ]vu'+F$  
n_2：2.08 OjZ+gl}  
i
km4Y`c  
LW,!
B.`@  
1S_KX.  
光栅#2——结果 ]`UJwq  
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。 ~8|$KD4I  
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。 !5=3Y4bg1  
   fh,Y#.V`  
rVf`wJ6b