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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。 <}Vrl`?h A2FYBM`Q&D
Wi<m{.%\E ]q[D>6_ 任务说明 aK~8B_5k8 uZYF(Yu
2;b\9R^>A pF >i-i 简要介绍衍射效率与偏振理论 I{&[[7H 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。 QL/(72K 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: bWS&Yk(
U>SShpmZA 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。 T<>,lQs(a 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: M0"_^?
zI uJ-8T" 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 。 "{xrL4BtC RBd7YWo\|j 光栅结构参数 n&/
` 研究了一种矩形光栅结构。 VGN5<?PrN 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 >|=ts 根据上述参数选择以下光栅参数: 5;WH:XM 光栅周期:250 nm 3 \,4 ]l|
填充因子:0.5 hZ,_6mNg 光栅高度:200 nm SulY1, 材料n_1:熔融石英(来自目录) 6|=f$a 材料n_2:二氧化钛(来自目录) Rv>-4@fMJ Y|qTyE%
Rp7mh]kZ C): 1?@ 偏振态分析 ]/6z;
~3U 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 j;r-NCBnz 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。 >R_&Ouh: 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/M>?G~ r;2^#6/Z
(WJRi:NP? 3}1u\(Mf 模拟光栅的偏振态 djZqc5t .{^5X)
T::85 WU`
rh^ 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: HiFUv>,u 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 H?Wya.7 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 3?yg\ 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 C )
s5D ]W!0$'o Passilly等人更深入的光栅案例。 -2[a2^a' Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态,以获得不同状态之间的高度转换。 B$K=\6o 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 Or+U@vAnk 00y!K
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,0 sm 5qm`J,~k 光栅结构参数 <lPG=Xt 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 C!!M%P 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。 J8(lIk:e 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。 '<<t]kK[N 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 {P./==^0
)&O
%*@F 3$R1ipb 光栅#1——参数 ,4$>,@WW~ 假设侧壁倾斜为线性。 AT3Mlz~7# 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 59A}}.@?m 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 cT,sh~-x, 光栅周期:250 nm p2](_}PK 光栅高度:660 nm Il'fL'3 填充因子:0.75(底部) ~
7s!VR 侧壁角度:±6° SnfYT)Ph n_1:1.46 Sm|6 %3 n_2:2.08 2ilQXy GefTdO.&
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pZAc M2Qr(K| 光栅#1——结果 ,"ZMRq 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 TJRCH>E[a 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。 EQM{ cwg"c4V
%u'ukcL7 ,O(hMI85] 光栅#2——参数 wHy!CP% 假设光栅为矩形。 p5iuYHKk? 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 5]0<9a 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 C'x&Py/# 光栅周期:250 nm ga +dt 光栅高度:490 nm VPo".BvG6 填充因子:0.5 C6PdDRf n_1:1.46 N6:`/f+A>T n_2:2.08 (<9u-HF# fHFE){
mzgfFNm^G) ?@86P|19 光栅#2——结果 7[)E>XRE 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。 e^voW"?% 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。 {IjR^J=k n[rCQdM&U"
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