紫外光栅偏振片的参数优化

案例315（3.1）

该应用案例说明了两个不同紫外光谱偏振片的参数优化，紫外偏振片具有亚波长线栅结构。两个系统具有不同的功能，如193nm工作波长和以及在期望光谱范围内效率的一致性。

1. 线栅偏振片的原理

带金属脊的线栅偏振片（如铝，铬等）。

2. 建模任务

 全部透射光线的严格仿真和结构参数的优化。
 偏振元件的重要特性：
 偏振对比度
 透射率
 效率一致性
 线格结构的应用(金属)

3. 建模任务：

x-z方向(截面) x-y方向(俯视图)

4. 建模任务：仿真参数

偏振片#1:
 偏振对比度不小于50@193nm波长
 高透过率(最大化)
 光栅周期：100nm(根据加工工艺)
 光栅材料：钨(适用于紫外波段)
偏振片#2:
 偏振对比度不小于50@300—400nm波段范围内
 在波长范围内具有5%一致性的高透过率
 光栅周期：100nm
 光栅材料：钨

5. 偏振片特性

 偏振对比度：(要求至少50:1)

 一致性误差，如Ex的透射(在要求波长范围内不超过5%)

6. 二维光栅结构的建模

 该案例使用一般二维光栅工具，该工具嵌入在VirtualLab光栅工具箱。
 通过使用该功能可处理不同类型的光栅形状。
 通过一个矩形光栅结构来模拟紫外线栅偏振片。

7. 偏振敏感光栅的分析

 可通过“偏振分析器”对偏振敏感光栅进行分析，该工具是VirtualLab光栅工具箱的一部分。
 偏振片最重要的几个特性可直接进行选择(如偏振度、透射率和反射率)
 此外，分析器提供了许多选项。如波长变化和入射角。
8. 利用参数优化器进行优化

 利用VirtualLab参数优化器可根据给定的评价函数轻松地对结构参数进行优化。
 如要求的效率和偏振对比度等，可在优化结构参数中找到。
 在该案例种，提出两个不同的目标：
 #1:最佳的优化函数@193nm
 #2:在300nm至400nm间一致性优化函数

9. 优化@193nm

 初始参数：
 光栅高度：80nm
 占空比：40%
 参数范围：
 光栅高度：50nm—150nm
 占空比：20%—50%(与20nm—50nm的脊高相一致)
 评价函数：偏振度目标值为50，要求Ex (TM) 透过率不低于40%。

 根据需要的评价函数，可以选择不同的约束类型。
 通过改变参数的权重，以保证此参数在优化过程中能够得到优先优化。
 “贡献值”一栏表示的该权重值下参数的优先权。
 在该案例中，权重选择如图所示，因此贡献值相同。

10. 优化@193nm结果

 优化结果：
 光栅高度：124.2nm
 占空比：31.6%
 Ex透过率：43.1%
 偏振度：50.0
优化后的偏振片满足所需的光学功能，并达到给定的技术要求。

 得到的光栅结构表现出与在193nm波长下相适应的特性，对于所使用的波长(紫外或极紫外)来说这是极具挑战性的。
 由于在小于300nm波长时材料参数的变化，透射表现出较差的一致性。
 因此，在第二个步中，将偏振片在特定的光谱范围内进行一致性优化。

11. 300nm到400nm波长范围的优化

 初始参数：
 光栅高度：80nm
 占空比：40%
 参数范围：
 光栅高度：50nm—150nm
 占空比：20%—50%(与20nm—50nm的脊高相一致)
 评价函数：偏振度目标值为50，要求Ex (TM) 透过率不低于40%。此外，透射一致性偏差不超过5%

 优化结果：
 光栅高度：101.8nm
 占空比：20.9%
 Ex一致性透过率：5%（300nm到400nm之间）
 偏振对比度：50.0
优化后的偏振片满足所需的光学功能，并达到给定的技术要求，尤其是Ex 偏振光的透射一致性。

12. 结论

 应用的偏振分析器可以评价偏振光栅与波长和角度的关系。(同样适用于极紫外光谱范围)
 VirtualLab参数优化工具箱提供了不同的优化方式，用以改善提高光学元件的性能
(如Downhill-Simplex-algorithm)
 通过选择合适的评价函数(包括参数权重)可使优化更加合理化，并满足独立的要求。

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