[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 N#? Ohz  
zIjUfgO/M  
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。 09>lx$  
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任务说明 <M4Qc12jP  
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0^PI&7A?y  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 rZBOWT  
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。 x>yeF,q1  
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： ]8i2'x
 
{} 11U0  
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。 i
+z;tF`  
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： ? <.U,  
TdAHw @(  
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。 "?~u*5  
%)K)h&m  
光栅结构参数 xgeKz^,  
研究了一种矩形光栅结构。 mfNYN4Um6  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 (y xrK  
根据上述参数选择以下光栅参数： j`9+pI  
光栅周期：250 nm Z=vzF0  
填充因子：0.5 gTp){  
光栅高度：200 nm aDik1Q  
材料n_1：熔融石英（来自目录） lTh}0t  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） O!(FNv0  
LK
^t](F  
]eJjffx  
I&e,R  
偏振态分析 =v$H8w  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 b7:B[7yK.x  
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。 o9:GKc  
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。 ;rj=hc  
z5CWgN  
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模拟光栅的偏振态 q >9F21W  
~?pF'3q  
LW;UL}av  
4g#pQ  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： c{Ax{-'R  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 NC 0H5  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 Xf.w(-  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 {.We%{
4V  
:v k+[PzJ  
Passilly等人更深入的光栅案例。 :B=p%C  
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。 W"mkNqH  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 y?-wjJS>  
B 0%kq7>g
 
a#=GLB_P(  
1rV?^5  
光栅结构参数 C!SB5G>OH  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 <3;/,>^ Pm  
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。 zxCxGT\;  
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。 bQk5R._got  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 nMcd(&`N  
O{rgZ/4Au  
F!VC19<1O8  
光栅#1——参数 6^zuRY;  
假设侧壁倾斜为线性。 5I{YsM  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 &^thKXEC  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 YTq>K/  
光栅周期：250 nm muQ7sJ9 r  
光栅高度：660 nm 4EuZe:'X  
填充因子：0.75（底部） 9VIsLk54^  
侧壁角度：±6° KoQvC=+WI  
n_1：1.46 tiwhG%?2  
n_2：2.08 3Nw9o6`U  
?S!lX[#v  
=#1iio&  
K^H
=E  
光栅#1——结果 SR~~rD|V  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 =Ze~6vS,  
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。 eU
qsvF}l!  
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   Czb@:l%sc  
 7P]_03  
光栅#2——参数 ? _[gs/i}  
假设光栅为矩形。 j/wNPB/NM  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 I2|iqbX40Q  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ^'
]xkS  
光栅周期：250 nm @<},-u  
光栅高度：490 nm  UX2`x9  
填充因子：0.5 RIl%p~  
n_1：1.46 |,t#Au}61  
n_2：2.08 <JYV G9s}  
lGjmw"/C  
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y| @[?B  
光栅#2——结果 InNuK
0@  
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。 n`0}g_\q  
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。 kP6g0,\|a|  
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