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摘要 lGa'Y .bh>_ W_h 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!#jh\w W
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hJ0)"OA5 U?u0|Y+ 任务说明 $I%75IZ 4_3
DQx9s jiPV ]aVN }e/P|7& 简要介绍衍射效率与偏振理论 $=8?@My< 某个衍射级次(𝑛)的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的,瑞利系数包含了每个衍射级次(矢量)电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 F=C8U$'S 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: >pKu
G# _
i )Z8# 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。 i"uAT$x e 如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数,则必须应用以下方程: w,
u`06 Az2HlKF"L 因此,必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下,光栅坐标系中为 。 %(`4wo}, gIR{!'
光栅结构参数 CErkmod{}e 研究了一种矩形光栅结构。 pA9:1*+;; 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 #`6A}/@.+ 根据上述参数选择以下光栅参数: 9?)r0`:# 光栅周期:250 nm U!sv6=(y@ 填充因子:0.5 + >N/q(l 光栅高度:200 nm YX+Da"\ 材料n_1:熔融石英(来自目录) [{F8+a^ 材料n_2:二氧化钛(来自目录) 36D-J)-Z Z']D8>d "1rZwFI0l W P1>) 偏振态分析 ?^9TtxM 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 Xidt\08s 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 yi3@-
为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 U$KdY _Z97 d;KrV=%30s RaFk/mSw aTC7 H]e 模拟光栅的偏振态 FJ3Xeos4| j;fmmV@
iulM8"P
]@bo; . 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: zO`54^ 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 T`46\KkN 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 @p jah(i` 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 Ml8 '=KN_ kWL\JDZ`. Passilly等人更深入的光栅案例。 e[}R1/!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。 (
q^umw 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 j r6)K;:. v/f&rK* >
K"1xtpy %&9tn0B
光栅结构参数 8"+Re
[ 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 ^ MkT"> 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。 +<Ot@ luE 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。 `P9vZR; 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 Nko;I?Fn
v`B7[B4K3 +O:Qw[BL/Z 光栅#1——参数 + oyW_!( 假设侧壁倾斜为线性。 NL))!Pi 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 w5|az6wZB! 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 & v=2u,]T 光栅周期:250 nm 5I5~GH 光栅高度:660 nm C,-q2ry 填充因子:0.75(底部) SE{$a3`UzP 侧壁角度:±6° !8ub3oj) n_1:1.46 M")v ph^ n_2:2.08 2a2C z'G EKf"e*|(L
[Z0 &`qz >:5/V0;, 光栅#1——结果
(`gqLPx[ 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 S'vi +_ 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。 ptGM' h,<%cvU=
J=W"FEXTL7 LOi5 ^Um| 光栅#2——参数 YSk,kU 假设光栅为矩形。 d}%GHvOi 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 IZeWswz 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 y!fV+S, 光栅周期:250 nm NMmk, 光栅高度:490 nm dkJ+*L5 填充因子:0.5 -uN5DJSW n_1:1.46 I(ds]E
;_E n_2:2.08 $+zev$f erYpeq. )Z0pU\ ]~CGzV
光栅#2——结果 ^3IO.`| 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。 "#d}S)GlXM 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。 |#$Wh+,* ( du<0J|PT 'x
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