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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。 Y*Y&)k6t pNp^q/-yB
R'G'&H{N C0\%QXu 任务说明 gWFL \HCOR, `T
'Z\{D*=V8 *Jb_=j*) 简要介绍衍射效率与偏振理论 oz%h)#; 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。 B^Xy0fq 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: &nQRa?3,
NmjzDN 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。 jZrY=f 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: S\B5&W
"YuZ fL`bb 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 。 pAENXC\, hgj CXl 光栅结构参数 L<0=giE 研究了一种矩形光栅结构。 Ip>^O/}$1 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 PT mf 根据上述参数选择以下光栅参数: Y.E?;iS 光栅周期:250 nm 3nwz<P 填充因子:0.5 gk"mr_03 光栅高度:200 nm bKYY{V55 材料n_1:熔融石英(来自目录) GUKDhg,W 材料n_2:二氧化钛(来自目录) 9^oo-,Su_ ,SAbC*nq
F\JLbY{x] =h(7rU"Yz 偏振态分析 !2(.$}E 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 FnY$)o; 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 _=uviMuE 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 P!5Z]+B# %Hh3u$Y,
:#Ty^-"]1 "s% 686Vz 模拟光栅的偏振态 rWJ*e Y p[u4,
_ ~|Q4AJ ?k"0w)8 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: `%uK0qw" 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 INOH{`}Ew 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 B0v|{C 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 Bn{)|&; Hv3W{| Passilly等人更深入的光栅案例。 3#9uEDdE 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。 :aH%bk 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 cu<y8
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] 光栅结构参数 A9t8`|1"%H 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 ~*,Wj?~+7 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。 ^eobp.U 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。 b]w[*<f? 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 # J]~
a/34WFC |f<9miNu 光栅#1——参数 E.9^&E}PG 假设侧壁倾斜为线性。 Z&A0hI4d 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 5:$Xtq 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 `&H04x"Y$> 光栅周期:250 nm 6i| ~7md, 光栅高度:660 nm ZEqE$: 填充因子:0.75(底部) 9l#gMFknI 侧壁角度:±6° v[VC2D n_1:1.46 )L >Q;' n_2:2.08 N2T&,&,t J]dW1boT@
GoazH?% pUGN!3 光栅#1——结果 `4skwvS= 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 hox< vr4 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 JDKLKHOMZ eKyqU9
oJh"@6u6K gX_SKy 光栅#2——参数 RbKwO}
z$q 假设光栅为矩形。 Sj@15 W 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 [<Q4U{F 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 6P^hN%0 光栅周期:250 nm [8TS"ph> 光栅高度:490 nm \WX@PfL 填充因子:0.5 &*A:[b\ n_1:1.46 1LX)4TCC n_2:2.08 WU7cF81$ k/@Tr
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:xtT)w >e/ r2U 光栅#2——结果 I3PQdAs~&h 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。 FllX za) 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。 2eHx"Ha `H"vR:~{
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