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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。 {U&Mo97rzX m,8A2;&,8
Oa*/jZjr R{4O*i8# 任务说明 XD*$$`+# %*LdacjZ
VP|9Cm=Fg 'e0qdY` 简要介绍衍射效率与偏振理论 U4Qc$&j> 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。 X8Gw8^t 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: .-nA#/2-
>6(nW:I0y 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。 *USZ2|i 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: ^2Op?J
LkJ3 :3O 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 。 e}7qZ^ 0*h\/!e 光栅结构参数 $(C71M|CT 研究了一种矩形光栅结构。 "i9$w\lm 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 pNE!waR> 根据上述参数选择以下光栅参数: 011 _(v 光栅周期:250 nm Pbz-I3+66 填充因子:0.5 y8
`H*s@ 光栅高度:200 nm $JcU0tPq0 材料n_1:熔融石英(来自目录) !+CRS9\D 材料n_2:二氧化钛(来自目录) wgI$'tI AnI ENJ
DUY#RJf K2)),_,@5+ 偏振态分析 CJ
KFNa 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 !*EHr09N7 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。 dZv-lMYBE 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。 !%]]lxi :aco$ZNH5
FWPkvL W0l|E&fj[ 模拟光栅的偏振态 1<pbO:r >|H=25N>;
^'[Rb!Q8 8(&C0_yD 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: O!uX:TE|Q 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 4B!]%Mw;c 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 Kkdd }j 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 ,I'Y)SLx oZP:}= F Passilly等人更深入的光栅案例。 /.Gx
n0 Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态,以获得不同状态之间的高度转换。 %p@A8'b 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 6-<,1Q'D Rnun() plJ
SyX>zN! 5qB>Song 光栅结构参数 -KbT[] 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 LWf+H 4iZ} 由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的,而且确实可以观察到:在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 jbfMTb4 由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 naM4X@jl 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 e2 Ba@e-
swe6AQ- a)[t kjU 光栅#1——参数 ka*VQXk* 假设侧壁倾斜为线性。 v"=^?5B 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 c:hOQZ 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 P g7W:L7 光栅周期:250 nm w/>k 光栅高度:660 nm ogDyrY}]
填充因子:0.75(底部) ($[pCdY 侧壁角度:±6° _9""3O n_1:1.46 O. @_2 n_2:2.08 z`m-Ca>6 My
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K|E}Ni d),@&MSN 光栅#1——结果 `N
;!=7y7Y 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 NTls64AS. 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。 .K;*uq:0 (\,mA-%E
4?1Ac7bE J1P82=$, 光栅#2——参数 86.!sQ8b 假设光栅为矩形。 5|wQeosXxI 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 wzT+V, 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 rh/3N8[6 光栅周期:250 nm $l-j(=Md 光栅高度:490 nm FL"I PX;S 填充因子:0.5 |&h!#Q{7l n_1:1.46 !5Z?D8dcx n_2:2.08 p"JITH:G |4x&f!%m
3zMmpeq BqKD+ 光栅#2——结果 ^L<1S/~) 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。 N@Bqe{r6j 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。 uA*Op45 l4v)tV~
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