摘要
光柵結構廣泛應用于各種光學(xué)應用場(chǎng)景，如光譜儀、近眼顯示系統、脈沖整形等�？焖傥锢砉鈱W(xué)軟件VirtualLab Fusion通過(guò)使用傅里葉模態(tài)方法(FMM，也稱(chēng)為RCWA)，為任意光柵結構的嚴格分析提供了通用和方便的工具。為此，復雜的一維或二維周期結構可以使用界面和調制介質(zhì)進(jìn)行配置，這允許任何類(lèi)型的光柵形貌進(jìn)行自由的配置。在此用例中，詳細討論了衍射級次的偏振態(tài)的研究。
任務(wù)說(shuō)明
簡(jiǎn)要介紹衍射效率與偏振理論
某個(gè)衍射級次（𝑛）的效率表示有多少的輻射功率被衍射到這個(gè)特定的級次中。它是由復數值瑞利系數計算出來(lái)的，瑞利系數包含了每個(gè)衍射級次（矢量）電磁場(chǎng)的全部信息。瑞利系數本身是由FMM對光柵的特征值問(wèn)題進(jìn)行嚴格分析的結果。
如果在TE/TM坐標系(CS)中給出瑞利系數，則可以計算衍射效率：
其中，n_in/n_out為覆蓋層和襯底層的折射率，ϑ_in/ϑ_out為所分析的階次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示輻射光的振幅。
如果瑞利系數沿𝑥、𝑦和𝑧給出瑞利系數，則必須應用以下方程：
因此，必須考慮所給出的瑞利系數的坐標系。默認情況下，光柵坐標系中為  。
光柵結構參數
研究了一種矩形光柵結構。
為了簡(jiǎn)化設置，選擇光柵配置，只允許零階(R_0)反射傳播。
根據上述參數選擇以下光柵參數：
光柵周期：250 nm
填充因子：0.5
光柵高度：200 nm
材料n_1：熔融石英（來(lái)自目錄）
材料n_2：二氧化鈦（來(lái)自目錄）
偏振態(tài)分析
現在，用TE偏振光照射光柵，并應用圓錐入射角（𝜑）變量。
如前所述，瑞利系數的平方振幅將提供關(guān)于特定級次的偏振態(tài)的信息。
為了接收瑞利系數作為檢測器的結果，需要選擇光柵級次分析器件中的單個(gè)級次輸出，并選擇所需的系數。
模擬光柵的偏振態(tài)
瑞利系數現在提供了偏振態(tài)的信息：
在圓錐入射角為0（𝜑=0）時(shí)，  。這說(shuō)明衍射光是完全偏振的。
對于𝜑=22°，  。此時(shí)，67%的光是TM偏振的。
對于𝜑>50°，系數接近為常數，因此偏振態(tài)也是常數。
Passilly等人更深入的光柵案例。
Passilly等人的工作研究并優(yōu)化了亞波長(cháng)光柵下衍射光譜的偏振態(tài)，以獲得不同狀態(tài)之間的高度轉換。
因此，他們將模擬結果與制作樣品的測量數據進(jìn)行了比較。
光柵結構參數
在本文中，研究了兩種不同的制備光柵結構。
由于加工造成的光柵的理想二元形狀的一些偏差是可以預料的，而且確實(shí)可以觀(guān)察到：在基板和側壁上存在不完全平行的欠刻蝕部分。
由于缺少關(guān)于制作結構的細節，我們將其簡(jiǎn)化為VirtulLab Fusion中的模擬。
但是如果有可用數據，就可以詳細分析光柵的復雜形狀。
光柵#1——參數
假設側壁傾斜為線(xiàn)性。
忽略了襯底中的欠刻蝕部分。
為了實(shí)現光柵脊的梯形形狀，采用了傾斜光柵介質(zhì)。
光柵周期：250 nm
光柵高度：660 nm
填充因子：0.75（底部）
側壁角度：±6°
n_1：1.46
n_2：2.08
光柵#1——結果
這兩幅圖對比之下匹配度很高，特別是圖表的趨勢。
與參考文獻相比，仿真中光柵結構進(jìn)行了簡(jiǎn)化，存在一些小的偏差。由于缺乏關(guān)于實(shí)際的更詳細的光柵結構的數據，這種簡(jiǎn)化是必要的。
光柵#2——參數
假設光柵為矩形。
忽略了襯底中的欠刻蝕部分。
矩形光柵足以表示這種光柵結構。
光柵周期：250 nm
光柵高度：490 nm
填充因子：0.5
n_1：1.46
n_2：2.08
光柵#2——結果
這兩幅圖對比之下再次顯示出非常好的匹配度，特別是圖表的趨勢。
與參考文獻相比，仿真中光柵結構進(jìn)行了簡(jiǎn)化，存在一些小的偏差。由于缺乏關(guān)于實(shí)際的更詳細的光柵結構的數據，這種簡(jiǎn)化是必要的。
文檔信息
拓展閱讀
- 超稀疏介質(zhì)納米線(xiàn)柵偏振器
- 抗反射蛾眼結構的嚴格分析與設計
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