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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。 0aTEJX$iZ uDy>xJ|
7tf81*e Dj,+t+| 任务说明 iS:PRa1 Zgy2Pot *Lb(urf xu_XX#9?b 简要介绍衍射效率与偏振理论 %/6e"o 某个衍射级次(𝑛)的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的,瑞利系数包含了每个衍射级次(矢量)电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 Gw\G+T?M- 如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数,则可以计算衍射效率: SSL%$:l@ HYI1 o/} 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。 g'}`FvADi 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: %_j?<h& 5uD#=/oV 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 。 L?D~~Jb |`94W j< 光栅结构参数 .J1Hg 研究了一种矩形光栅结构。 )/+eLRN5G 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 sjkKaid 根据上述参数选择以下光栅参数: a'>$88tl 光栅周期:250 nm 9
.&Or4> 填充因子:0.5 `!Ge"JB6
光栅高度:200 nm k`2B9,z 材料n_1:熔融石英(来自目录) +,F=
- 材料n_2:二氧化钛(来自目录) \\R*V'e! mtWx ?x \HP,LH[P: .X<"pd*@e 偏振态分析 RZ/+K= 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 wsb=[$C 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。 X_tW#` 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。 >;' 1k' xeP;"J} N5w]2xz! 5rHnU<H@y 模拟光栅的偏振态 XvzV
lKL J,^pt Ql
eFXi )tl |H+k?C-w 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: k+Ma_H` 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 C1Pt3 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 qLW-3W;WUH 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 y/sWy1P7 {z[HNSyRs Passilly等人更深入的光栅案例。 fssL'DD 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。 [vjkU7;7A 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 9
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<T.3ZZ% Aya;ycsgE 光栅结构参数 RH'F<!p 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 J*lYH]s 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。 {R{%Z 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。 M4hN#0("4 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 RoM*Qjw
VY&9kN E Pd.atA 光栅#1——参数 P2:Q+j:PX 假设侧壁倾斜为线性。 <T_Nlar^^ 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 @%@^5 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 IO)Ft 光栅周期:250 nm v!'@NW_ 光栅高度:660 nm OB
i!fLa 填充因子:0.75(底部) CD<u@l,1 侧壁角度:±6° ?e_}X3{ n_1:1.46 J0WXH/: n_2:2.08 e/ % ; 36Z`.E>~L
VX>t!JP p %/4_|@<' 光栅#1——结果 cSs/XJZ 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 mlw BATi 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。 B3+WOf5W U#1yl6e\I
Lp]C![\>U G-i_s6Wu 光栅#2——参数 Y)5uK:)^ 假设光栅为矩形。 AA& dZjz 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 +VW]%6+ 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 y $DB 光栅周期:250 nm Cg\)BHv~ 光栅高度:490 nm xY'YbHFz 填充因子:0.5
iIEIGQx n_1:1.46 Joo)GIB n_2:2.08 vAhO!5]>\ oJu4vGy0 BHE =Zo rHdP4: n 光栅#2——结果 kuud0VWJ 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。 Ay6rUN1ef 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。 ,v5>sL ^t%M 6)<o O( o%>nu
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