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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。 ^N{k6>; W "k|K:
OT@yPG fK"iF@=Z` 任务说明 _JA:.V^3gm \OY}GRKt 9DPb|+O- .6Fsw
简要介绍衍射效率与偏振理论 QXY}STs 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。 @k9Pz<ub 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: WL:0R>0 -yl;3K]l 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。 #D0 ~{H 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: UKj`_a6 V:>`*tlh 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 。 He<;4?: "k, K ~@} 光栅结构参数 #N9d$[R* 研究了一种矩形光栅结构。 6n,xH!7 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 yV2e5/i 根据上述参数选择以下光栅参数: Tyd
h9I 光栅周期:250 nm -N4z-ozhC 填充因子:0.5 \Z'/+}^h 光栅高度:200 nm 9(OAKUQ 材料n_1:熔融石英(来自目录) - wWRm 材料n_2:二氧化钛(来自目录) R;'?;I R[Nbtbv9Q I=odMw7Hj GW8CaTf~ 偏振态分析 '$6PTa 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 R{`gR"* 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 I^:F)a: 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 v2=/[E@ ,5.
<oDH 6klD22b2$ ZPvf-PqJl 模拟光栅的偏振态 yzg9I p&O8qAaO
-=sf}4A Gk 6fO 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: ?Q?598MC 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 --A&TV 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 [S) G$JW 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 b!,ja?
J `x}{K Passilly等人更深入的光栅案例。 BUDGyl/= Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态,以获得不同状态之间的高度转换。 XmlIj8%9[& 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 l?<q
YjI z{/LX
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q0g1EJar [Xq<EEb 光栅结构参数 OEI3eizgH 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 -%i#j> 由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的,而且确实可以观察到:在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 1lsLG+Rpxi 由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 3C#RjA-2[ 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 r@Nl2
&+]x;K P=Puaz5&{ 光栅#1——参数 J?,?fqb 假设侧壁倾斜为线性。 dk8y>uLr_ 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 1w17L]4 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 .jaZ|nN8` 光栅周期:250 nm + ~~ Z0.[ 光栅高度:660 nm ]zcV]Qj$~ 填充因子:0.75(底部) &rP~`4Mkp 侧壁角度:±6° kfRJ\"`
n_1:1.46 p+)C$2YK n_2:2.08 #'8)u)! P#v^"}.Wd
SM$\;)L 0Nt%YP 光栅#1——结果 B>@D,)/bT5 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 BvQUn@ XE 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。 %z2oDAjX PU"S;4m
#w;;D7{@m *0\k
Z,#BJ 光栅#2——参数 ,#
eO& 假设光栅为矩形。 s&0*'^'O[S 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 R}hlDJ/m- 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 jceHKl 光栅周期:250 nm :v#8O~ 光栅高度:490 nm G>JxIrN0 填充因子:0.5 ;AltNGcM n_1:1.46 F'XlJ M n_2:2.08 61kO1,Uz* ?;fv!'?% %;
qY'+ X~%IM1+L; 光栅#2——结果 qhnapZJ 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。 |veBq0U 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。 N" ; ^S :/~_sJt C 9!cW 3}yraX6r!
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