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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。 fusPMf *[ A,<@m2
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l(if 4iBxPo(0 任务说明 A{`]&K1u v5 Y)al@
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8IZ 简要介绍衍射效率与偏振理论 ` d`&R.' 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。 C*pLq5s 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: Oz>io\P94
JQT4N[rEE 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。 >hb-5xC 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: pqfT\Kb>
b]#~39Iph 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 。 [V5-%w^ ^[TOZXL`: 光栅结构参数 z7q%,yw3N 研究了一种矩形光栅结构。 :?#cDyW) 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 i'HST|!j 根据上述参数选择以下光栅参数: jt%WPkY: 光栅周期:250 nm
p
JX, n 填充因子:0.5 t>oM%/H 光栅高度:200 nm 5f3!NeI 材料n_1:熔融石英(来自目录) }AAbhr9d} 材料n_2:二氧化钛(来自目录) qKs7WBRJy v>k b^38
(WMLNv _z%\'(l+ 偏振态分析 4Q&mC" 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 +V89J!7 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。 C~_q^fXJt 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]#8$M2 B>aEHb
i ~P91 R\
e#$"a5 模拟光栅的偏振态 -;S3| ASM1Y]'Z
_<Vg[-:1 QvNi8TB 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: gyg|Tno 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 )#mW7m9M# 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 N$*>suQ, 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 T/Ez*iQW v6(,Ax& Passilly等人更深入的光栅案例。 7t+]z) 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。 s9kTuhoK 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 *fOIq88
;<~j)8
{cX7<7N p+5#dbyr 光栅结构参数 yT 2vO_rH 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 GMyoSe%1/ 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。 7TR'zW2W 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。 L1:}bH\y 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 1=- X<M75
LsUFz_ C`z;,!58% 光栅#1——参数 W>VAbm 假设侧壁倾斜为线性。 <vO8_2,V- 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 P'gT6*an," 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 b^;N>zx 光栅周期:250 nm s2wwmtUCN 光栅高度:660 nm #SK#k<&P 填充因子:0.75(底部) Ds;Rb6WcnY 侧壁角度:±6° dcM+ylB n_1:1.46 ByC1I.B` n_2:2.08 hE9'F(87a ^glbxbhI4
Qdh"X^^ |UABar b 光栅#1——结果 rZb_1E< 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 R,fMZHAG 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。 0 [*nAo 5IwX\
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8Q #a/n5c&6/ 光栅#2——参数 zS,%msT^A 假设光栅为矩形。 'JJ1#kKa 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 %kaTQ"PB 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 MM/BJ 光栅周期:250 nm M^0w/ 光栅高度:490 nm g%Th_= qy 填充因子:0.5 mNGb}
lR n_1:1.46 l;.[W| n_2:2.08 la!1[VeL uQXs>JuD
,dGFX]P l;"ub^AH 光栅#2——结果 DtI%-I. 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。 ?tW%"S^D 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。 rHA/
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