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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。 k @'85A` |Z}uN!Jm
)>08{7 i)=!U>B_0 任务说明 #"% ]1={b `~Nd4EA)2 !Ziq^o. Z[:fqvXQ 简要介绍衍射效率与偏振理论
L>Bf}^ 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。 6KP"F[8I 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: W_( Hp;Dp!PLa 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。 [P`t8 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: Pda(O;aNU "QA <5P 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 。 )P>Cxzs l9
RjxO.~U 光栅结构参数 +`g&J 研究了一种矩形光栅结构。 3#vhQ*xU 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 RkP g&R;i 根据上述参数选择以下光栅参数: 7KU/ 1l9$9 光栅周期:250 nm :FOMRrf7. 填充因子:0.5 ;i|V++$_ 光栅高度:200 nm 1MV\Jm 材料n_1:熔融石英(来自目录) lgp-/O"T 材料n_2:二氧化钛(来自目录) odAeBQy %9hzz5# lAuI?/E w8i"-SE 偏振态分析 dE9xan 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 Vh1{8'GQ 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。 V4p4m@z^u 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。 HVG9 C$ Mrpn^C2) \9*wo9cV zTb!$8D"g 模拟光栅的偏振态 ++ !BSQ e ((L=1]w
m/l#hp+ ><9E^ k0. 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: .} <$2. 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 |4NH}XVYJ> 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 3 "fBp 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 ]&%_Fpx h; 105$E1 Passilly等人更深入的光栅案例。 '&4W@lvyz 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。 &x$1hx' 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 t>;u;XY!; lN"%~n?
dbF?#s~u P}B{FIpNG 光栅结构参数 ??Zh$^No: 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 +$R4'{9q 由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的,而且确实可以观察到:在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 6rlafISvO 由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 >g8H 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 'B&gr}@4O=
|f+|OZY W.b?MPy] 光栅#1——参数 "bZ{W(h 假设侧壁倾斜为线性。 4L}i`)CmB 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 (bnyT?p% 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 g/Q hI 光栅周期:250 nm MU2ufKq4) 光栅高度:660 nm _(=[d 填充因子:0.75(底部) b
z3& 侧壁角度:±6° {,z$*nf n_1:1.46 s"5f5Cn/Wh n_2:2.08 1I< <`7' Dj!v+<b
NUH;\*]8s <:=}1t.Z 光栅#1——结果 F!m/n!YR 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 $|~YXH~O 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 r9[{0y!4 5&V0(LT]C
3D<s# FJ]BB4
K 光栅#2——参数
_ZUtQ49 假设光栅为矩形。 Qu4Bd|`(k 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ~RdJP'YF- 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 2S'{$m)
光栅周期:250 nm yu8xTh$: 光栅高度:490 nm 0N02 E 填充因子:0.5 yhnhORSY; n_1:1.46 (80 Tbi~+ n_2:2.08 n^Co <)01]lKH {s^vAD<~x3 ]z5`!e)L 光栅#2——结果 sp%EA=: E 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。 g *}M;"
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。 U/2]ACGCN^ ico%_fp AC*>
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