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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。 ;{H Dz$ @i(9k
a;KdkykG +\%]<YO 任务说明 &d6ud| 9 4H')( "3]}V=L<5 B%u[gNZ 简要介绍衍射效率与偏振理论 o~y{9Q 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。 V.$tq 如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数,则可以计算衍射效率: ><IWF#kUA /'.gZo 其中,n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率,ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外,𝐴表示辐射光的振幅。 2`;XcY4A 如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数,则必须应用以下方程: 8Uh|V& QPLWRZu@ 因此,必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下,光栅坐标系中为 。 ;u(*&vRqr^ l,Y5VGiH# 光栅结构参数 @+zWLq!1pB 研究了一种矩形光栅结构。 Ebj0 {ZL 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 Sn'!Nq> 根据上述参数选择以下光栅参数: Md>C!c 光栅周期:250 nm -le^ 5M7 填充因子:0.5 V D7^wd9 光栅高度:200 nm "8ZV%%elp 材料n_1:熔融石英(来自目录) 'xai5X 材料n_2:二氧化钛(来自目录) n2-+.9cY YWd2bRb EI?8/c "]p&7 偏振态分析 v,Z]Vqk 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 OMmfTlM% 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 }m?Ut| 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 O^./)#!# z<!A;.iD <4;,
y*"n 1V[ZklS 模拟光栅的偏振态 >{~xO 6H }oG6XI9
Ca?w"m~h 2P`./1L 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: _nzq(m1@ 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 L3Y2HZ 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 MD1X1,fk 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 8/)q$zs dn])6Xl;i Passilly等人更深入的光栅案例。 &-^*D%9 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。 B [YyA 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 Cb<7?),vK !.V_?aYi8
S=V "8zMe L 光栅结构参数 kzUj) 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 *wmkcifF; 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。 rmvrv.$3 由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 yr>J^Et%_ 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。
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lQ ki58. _a"|
:kX 光栅#1——参数 CiHx.5TiC 假设侧壁倾斜为线性。 B/lIn'= 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 xA:;wV 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 @|ZUyat 光栅周期:250 nm q0>9T 光栅高度:660 nm ,mCf{V]# 填充因子:0.75(底部) V#b*:E.cA 侧壁角度:±6° >#mKM%T2MJ n_1:1.46 g]44|9x(W n_2:2.08 B&59c*K .L#4#IO
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B|i 光栅#1——结果 Dn#5H{D-d 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 x7l}u`N4 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 q2*)e/}H SV ~QH&0'
Bw`? zd\* a8[%-eW, 光栅#2——参数 "tk1W>liIN 假设光栅为矩形。 q |Pebe= 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 f]Aa$\@b 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 a>8]+@ 光栅周期:250 nm $`0^E#Nl 光栅高度:490 nm d1^5r
31 填充因子:0.5 Jq>5:"jZ0 n_1:1.46 g0/R\ n_2:2.08 3~WI3ZIR L=!h`k ^5 "yY2}- +dq2}gM 光栅#2——结果 SU7,uxF 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。 HH(2 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。 u5U^}<}y} 9
s2z=^ ,e`n2) }\N ~%?6D
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