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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。 D%OQ e#! S >X:ZYYC
aW)-?(6> IEsEdw]aZE 任务说明 p.v0D:@& }Qn&^[[miL
' g= %et }A93 简要介绍衍射效率与偏振理论 dJeNbVd 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[wla<dO* 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: !;Yg/'vD-
N kb|Fd/s 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。 \E72L5nJW 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: P;=n9hgHI
;c-(ObSm 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 。 /YW>*?"N =9O^p@Q#W 光栅结构参数 oTU!R , 研究了一种矩形光栅结构。 )t0$qd ] 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 *4Thd:7 ` 根据上述参数选择以下光栅参数: ,Ys %:>? 光栅周期:250 nm +%T\`6 填充因子:0.5 NO "xL, 光栅高度:200 nm [YF>:ydk 材料n_1:熔融石英(来自目录) @5=oeOg36 材料n_2:二氧化钛(来自目录) p
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oD`=I*< [')m|u~FS4 偏振态分析 `5cKA;j>b 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 !"HO]3-o 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 bhTb[r 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 R&8Iz
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0%9 q8M; fxgPhnaC> 模拟光栅的偏振态 8n#HFJ~ Bn=by{i
<Swt); T6O::o6 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: \\r)Ue] 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 a,@]8 r-" 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 \8)U!9,$nn 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 1->dMm}G[ yzbx . Passilly等人更深入的光栅案例。 wKtl+}} 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。 E
]A#Uy 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 q
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Y l4^AR& 4x{0iav 光栅结构参数 k$R~R-' 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 =e/9&993 由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的,而且确实可以观察到:在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 WZ-s--n# 由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 04LI]' 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 s1MErd
yCd-9zb= _(_a*ml 光栅#1——参数 ;kFDMuuO 假设侧壁倾斜为线性。 (|[2J3ZET 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 S@jQX 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 RY]#<9>M 光栅周期:250 nm Jv>gwV{ 光栅高度:660 nm !^^?dRd*v 填充因子:0.75(底部) o1-m1 <ft 侧壁角度:±6° }\z.)B4, n_1:1.46 %}SGl${- n_2:2.08 gy,ht3 _D+}q_
O!mvJD $h2){*5E{ 光栅#1——结果 Ee)T1~;W 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 wg7V-+@i 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 X^T:8npxt j|4<i9^}
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0$,*[PH G<At_YS 光栅#2——参数 T_i:}ul 假设光栅为矩形。 =[H;orMr 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 -(~.6WnhS 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 S/}2; \Xm 光栅周期:250 nm FK:;e
lZ 光栅高度:490 nm ]p _L) 填充因子:0.5 -9%:ilX~ n_1:1.46 7FzA* n_2:2.08 n)L* TlXI|3Ip
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光栅#2——结果 :V1W/c 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。 {%<OD8>p 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。 {E
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