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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。 :Ni#XZ{F-/ Zgh~7Z/
00D.Jn ?8kFAf~ 任务说明 ,j>FCj> +a*Ic8* z59;Qk 3mofp`e 简要介绍衍射效率与偏振理论 6 8n ;#-X 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。 93D}0kp 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: &8f/ 6dq qJs_ahy( 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。 Hd;NvNS 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: 8F<|.V; C3^3< 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 。 6X9$T11Vc Z1
)1s 光栅结构参数 DM v;\E~D 研究了一种矩形光栅结构。 +}at#%1@ 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 lIEZ=CEmY 根据上述参数选择以下光栅参数: jFg19C{=X 光栅周期:250 nm vh&~Y].W Y 填充因子:0.5 =9QyOh 光栅高度:200 nm o=94H7@ 材料n_1:熔融石英(来自目录) Has}oe[ 材料n_2:二氧化钛(来自目录) ~]no7O4 L"vk ^>E6 'LG\]h>+) cXt&k 偏振态分析 J
V}7c$_ 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 m4W (h6 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 <(TAA15Xol 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 a!6r&<s=E 6'mZM=d rtJ@D2Hj^ xe6V7Wi/Tt 模拟光栅的偏振态 *`qI<]! K)x6F15r
-">Tvi4 ?>ZrdfTwz, 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: f%_$RdU 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 a}` M[%d7 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。
c)Ef]E\ 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 ! 1?u0 'HfI~wN Passilly等人更深入的光栅案例。 D`Vb3aNB=L 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。
":T"Y;
因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 n::i$ZUdK GCQOjqiR
,0HID:& }Gb^%1%M 光栅结构参数
n}b/9 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 hx%UZ <a 由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的,而且确实可以观察到:在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 (/&ht-~EL 由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 SK/}bZ;f 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 cuG;1,?b
sX>|Y3S\U ~ cu+QR) 光栅#1——参数 p}GTOJT} 假设侧壁倾斜为线性。 OmK0-fa/ 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ^cW{%R>XY 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 c\P}ZQ 光栅周期:250 nm uVZm9Sp 光栅高度:660 nm +LWgby4q 填充因子:0.75(底部) 4K;0.W;~| 侧壁角度:±6° biV|W@JM n_1:1.46 "lA$;\& n_2:2.08 <;+QK=f 23;\l
T3)m{gv0` \sVzBHy d 光栅#1——结果 =&4eW#{LuH 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 ?~}8^~3 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。 W^:g_ A}pe>ja
9<!??'@f 7S&O{Q7) 光栅#2——参数 =5pwNi_S 假设光栅为矩形。 J{EK}' 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 \FO
4A 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 uWXxK"J. 光栅周期:250 nm kmfz.:j{ 光栅高度:490 nm L<<v
填充因子:0.5 eBECY(QMQ n_1:1.46 K}S=f\Q] n_2:2.08 TSL/zTLDJ M@.?l=1X 5oD%~Fk l -Xgup,}? 光栅#2——结果 Tc;BE 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。 h2]GV- 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。 k|_
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