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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。 ',0~ \V $B4}('&4FQ
-!MDYj +U n?pCMS| 任务说明 d{0w4_x >qx~m>2|8]
H/Goaf% j:|60hDz^ 简要介绍衍射效率与偏振理论 >w9)c| 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。 ##u+[ ! 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: Y[T;j p(k
44?5]C7 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。 AnPm5i. 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: vD) LRO
Z
a-Cp"pKlVY 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 。 5%?La`C9[ {H $\, 光栅结构参数 ]Vl5v5_ 研究了一种矩形光栅结构。 *^c4q|G.- 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 j1YE_U 根据上述参数选择以下光栅参数: q) /;|h 光栅周期:250 nm {L$b$u$7: 填充因子:0.5 wXZ.D}d 光栅高度:200 nm GQ|kcY= 材料n_1:熔融石英(来自目录) :M|c,SQK 材料n_2:二氧化钛(来自目录) 8t}=?:B+{ R_vZh|
'[Oi_gE. Z6>:k,-Ot 偏振态分析 4g\a$7r
现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 q9WdJ!-^X 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 ADv
a@P 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。
NFLmM h#]}J}si
2y_rsu\ gSR&CnqZ< 模拟光栅的偏振态 w,3`Xq@ 8ZG'?A+{
5Tu#o() m3_e]v3{o 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: mu"]B] 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 nZ\,ZqV 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 5\=9&{WjND 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 ;\<?LTp/r XZ|"7a s Passilly等人更深入的光栅案例。 j&T/.]dX& Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态,以获得不同状态之间的高度转换。 #(aROTV5a 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 i6`8yw @%\ANM$S
RX2=
iO" y\0^c5} 光栅结构参数 E=QL4*?
在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 n"FOCcTIs 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。 V'K$:9^x[8 由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 Jh466;
E 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 cC}s5`
3Vw%[+lY9 ]LSa(7>EU 光栅#1——参数 uqQMS&;+,| 假设侧壁倾斜为线性。 bLV@Ts 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 'E&K%/d 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 rM=Hd/ki5 光栅周期:250 nm )<^ ~${$U 光栅高度:660 nm M9&tys[ KX 填充因子:0.75(底部) 1MahFeQ[ 侧壁角度:±6° ycE<7W n_1:1.46 FBY~Z$o0. n_2:2.08 !k s<VJh $`=?Nb@@#
;XtDz =VY4y]V 光栅#1——结果 RsOK5XnQn 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 n9J>yud| 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 M^[jA](a dY|jV}%T
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:Y 光栅#2——参数 A"k,T7B 假设光栅为矩形。 % (.PRRI 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 6,h<0j{ 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 vOj$-A--qU 光栅周期:250 nm Y~:7l5C 光栅高度:490 nm xD#/@E1'Y 填充因子:0.5 kj#yG"3+ n_1:1.46 avz 4& n_2:2.08 950b9Vn& GGuLxc?(
Bx qCV%9o onlyvH4 光栅#2——结果 gf=*m"5 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。 x V e! 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。 QM]^@2rK2 ,rdM{ r
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