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衍射级次偏振态的研究
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infotek
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。
#5z0~Mg-X
VwPoQ9pIS
kmc"`Ogotw
Y<irNp9
任务说明
QSY>8P
-n"wXOx3
1Kk6nUIN
dgoAaS2M
简要介绍衍射效率与偏振理论
.'<K$:8@|
某个衍射级次(𝑛)的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的,瑞利系数包含了每个衍射级次(矢量)电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。
*URT-+'
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数,则可以计算衍射效率:
Z/ jmi
=f{v:n6
其中,n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率,ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外,𝐴表示辐射光的振幅。
L6{gwoZf3
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数,则必须应用以下方程:
vJ^~J2#5
}P.Z}n;Uj
因此,必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下,光栅坐标系中为
。
v x/YWZ
_avf%OS
光栅结构参数
xn503,5G*7
研究了一种矩形光栅结构。
~nfOV*
为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。
~h;
根据上述参数选择以下光栅参数:
b(;u2 8
光栅周期:250 nm
>WDHRC
填充因子:0.5
2(@2z[eKr
光栅高度:200 nm
uMZ~[Sz
材料n_1:熔融石英(来自目录)
n>j2$m1[
材料n_2:二氧化钛(来自目录)
#5)/B
VYkh@j
kF~(B]W(
8TeOh1\
偏振态分析
. c+m(Pk
现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。
|zpy!X 3
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。
*kFd#b+xB
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。
2WFZ6
'A7!@hVy
^?+[yvq
lsOv#X-bE
模拟光栅的偏振态
/ta}12Z
'%[ Y
l X+~; 94
2RX]~}
瑞利系数现在提供了偏振态的信息:
(!5Ta7X
在圆锥入射角为0(𝜑=0)时,
。这说明衍射光是完全偏振的。
3U{ mC}F
对于𝜑=22°,
。此时,67%的光是TM偏振的。
^WO3,
对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。
e>Z&0lV:
D`a6D
Passilly等人更深入的光栅案例
。
NknS:r&2
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。
(is' ,4^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。
-|#{V.G3'
CE`]X;#y
:&vX0 Ce:
U`qC.s(L
光栅结构参数
g&xj(SMj-$
在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。
KQNQ<OE4
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。
S9Yzvq!(
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。
Qq`S=:}~x
但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。
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iv~R4;;)
u_^mN9h
光栅#1——参数
06&;GW!-
假设侧壁倾斜为线性。
`e,}7zGR
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。
p"hO6b%V
为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。
s8,YQ5-
光栅周期:250 nm
&5-1Cd E
光栅高度:660 nm
73X*|g[O
填充因子:0.75(底部)
ZFtR#r(~41
侧壁角度:±6°
&