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    [技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-12-18
    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 s!N%%g  
    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$xe  
    如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数,则必须应用以下方程: w, u`06  
    Az2HlKF"L  
    因此,必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下,光栅坐标系中为 %(`4wo},  
    gIR{!'  
    光栅结构参数
    CErkmod{}e  
    研究了一种矩形光栅结构。 pA9:1*+;;  
    为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 #`6A}/@.+  
    根据上述参数选择以下光栅参数: 9?)r0`:#  
    光栅周期:250 nm U!sv6=(y@  
    填充因子:0.5 +>N/q(l  
    光栅高度:200 nm YX+Da"\  
    材料n_1:熔融石英(来自目录) [{F8+a^  
    材料n_2:二氧化钛(来自目录) 36D-J)-Z  
    Z']D8>d  
    "1rZwFI0l  
    WP1>)  
    偏振态分析 ?^9TtxM  
    现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 Xidt\08s  
    如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 yi3@-  
    为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 U$KdY _Z97  
    d;KrV=%30s  
    RaFk/mSw  
    aTC7H]e  
    模拟光栅的偏振态 FJ3Xeo s4|  
    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 YS k,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 -uN5 DJSW  
    n_1:1.46 I(ds]E ;_E  
    n_2:2.08 $+zev$f  
    erYpeq.  
    )Z0pU\  
    ]~CG zV  
    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 lK_Z  
     
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