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2022-06-27 09:14 |
衍射级次偏振态的研究
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。 ZJzt~
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?IqQ-C)6D Rnr(g;2 任务说明 jZ~n[
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1VG4S){}\9 xqG[~)~ 简要介绍衍射效率与偏振理论 !h23cj+V 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。 0uOkMuy< 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: "!ug_'VW
KyYM fC 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。 O7-mT8o 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: :toh0oB[
emqZztccZ 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 。 %,}A@H, 7byK{{/z 光栅结构参数 lhAX;s&9 研究了一种矩形光栅结构。 j7$e28|_n 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 7vrl'^ 1 根据上述参数选择以下光栅参数: w[zjerH3 光栅周期:250 nm _VRpI)mu 填充因子:0.5 4ew"
%Cs* 光栅高度:200 nm ~962i#&4 材料n_1:熔融石英(来自目录) jjw`Dto& 材料n_2:二氧化钛(来自目录) )NXmn95 %et }A93
K1"*.\?F Z<1FSk,[ 偏振态分析 {JZZZY!n2 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 |ef7bKU8 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 Pq;U&, 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 >z{d0{\ P;=n9hgHI
;c-(ObSm /YW>*?"N 模拟光栅的偏振态 ;qafT@
}C oTU!R ,
)t0$qd ] n'wU;!W9 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: ,Ys %:>? 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 "}u.v?HYz 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 \qdHX 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 `#F{Waww' R]c+?4J Passilly等人更深入的光栅案例。 Y!~49<; 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。 Z0x ar]4V 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 5nv#+ap1 " ?26I,:;
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B$ A-Sv;/yD_ 光栅结构参数 >kj`7GA 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 N..yQ-6x? 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}
eN@#"D 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。 -BrMp%C 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 j"ThEx0
2iY3Lsna \\PjKAsh 光栅#1——参数 T6O::o6 假设侧壁倾斜为线性。 3GaQk- 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 8p^bD}lN7 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 \8)U!9,$nn 光栅周期:250 nm 1->dMm}G[ 光栅高度:660 nm {C 6=[ 填充因子:0.75(底部) wKtl+}} 侧壁角度:±6° C]O(T2l{l n_1:1.46 q
MfT>rH n_2:2.08 -[*,^Ti` @K\~O__
^W`<gR O,+1<.;+ 光栅#1——结果 j~2{lCT 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 7L`A{L 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 A;;fACF8e 0[RL>;D:
aGrIQq/k)% <;9I@VYK 光栅#2——参数 '-r).Xk 假设光栅为矩形。 ^nT/i
.#_ 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 %824Cqdc 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 Od)Uv1 光栅周期:250 nm ^!<U_;+ 光栅高度:490 nm bx#>BK! 填充因子:0.5 ~+Rc}K n_1:1.46 Lz`E;k^ n_2:2.08 AYt%`Y.!
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5m*iE*+ Pj#<K%Bz 光栅#2——结果 c&r70L, 这两幅图对比之下再次显示出非常好的匹配度,特别是图表的趋势。 mPOGidxix 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 ]9YJ,d@J w,.+IV$Kk
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