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infotek 2024-01-09 08:05

衍射级次偏振态的研究

摘要 BL1d= %2 R  
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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。 (e _l1O?  
S$NJmXhx5  
[attachment=124900] _DLELcH Y  
nUf0TkA  
任务说明 s%i \z }/  
fRomP-S  
[attachment=124901] -SUK [<=X  
Y4 {/P1F  
简要介绍衍射效率与偏振理论 (qDPGd*1  
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。 ]\(Ho  
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: 0t2n7Y?N  
[attachment=124902] l-?#oy  
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。 G|.6%-  
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: =+w!fy  
[attachment=124903] g+3_ $qIQ+  
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[attachment=124904]。 *NCkC ~4  
<ZjT4><  
光栅结构参数 =hi{J M  
研究了一种矩形光栅结构。 ,ut7`_Fy  
为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 bkFO4OZd  
根据上述参数选择以下光栅参数: /Csk"IfuO  
光栅周期:250 nm 9Xh1i`.D  
填充因子:0.5 *> E_lWW.  
光栅高度:200 nm 6 l7iX]  
材料n_1:熔融石英(来自目录) /z`.-D(  
材料n_2:二氧化钛(来自目录) KpC!C9  
 xq&r|el  
[attachment=124905] Q#zU0K*^  
(Rh$0^)A  
偏振态分析 W0XfU`  
现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 1xjWD30  
如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 bMB*9<c~  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 HsKq/Oyk  
5Zn:$?7  
[attachment=124906] m\G45%m  
F+)g!NQZ  
模拟光栅的偏振态 ?D;7ut$~  
+h@ZnFp3  
[attachment=124907] /Xl(>^|&  
u4h.\ul8%  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息: V I]~uTV  
在圆锥入射角为0(𝜑=0)时,[attachment=124908]。这说明衍射光是完全偏振的。 +<bvh<]Od  
对于𝜑=22°,[attachment=124909]。此时,67%的光是TM偏振的。 N"s"^}M\  
对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 -f["1-A  
kQD~v+u{`  
Passilly等人更深入的光栅案例。 mcTC'. 9  
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。 GD% qrK?  
因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 '0v]?mM  
$kccM& B  
[attachment=124910] zMh`Uqid  
|f1RhB  
光栅结构参数 hWi2S!*Y  
在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 ,*8)aZ1 k  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的,而且确实可以观察到:在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 ndu$N$7+  
由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 |k#EYf#Y  
但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 B]I*ymc#  
[attachment=124911] |? rO  
|h & q  
光栅#1——参数 ;gLOd5*0  
假设侧壁倾斜为线性。 j\iNag(   
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 e!vWGnY  
为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 E: Ul_m8  
光栅周期:250 nm }=A+W2D  
光栅高度:660 nm iUq_vQ@} }  
填充因子:0.75(底部) <Ok7 -:OxA  
侧壁角度:±6° Q5]rc`} 5  
n_1:1.46 q"Sja!-;|  
n_2:2.08 ; W$.>*O  
a:KL{e[   
[attachment=124912] 9M-W 1prb  
0-p %.}GE  
光栅#1——结果 q8MyEoc:n  
这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 `>=@Kc  
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。 r,q.RWuII  
J^!wk9q  
[attachment=124913]   6=96^o*  
pm2]  
光栅#2——参数 2 ,krVb?<  
假设光栅为矩形。 >sQf{uL  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 qe/5'dw  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 xeKm} MN]S  
光栅周期:250 nm #Q BW%L  
光栅高度:490 nm #<G:&  
填充因子:0.5 ~MP/[,j`  
n_1:1.46 W6):IW(E  
n_2:2.08 (dh9aR_a  
$`P]%I}  
[attachment=124914] PmQeO*f+  
Zzmo7kFx3  
光栅#2——结果 ?rziKT5OOC  
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。 k"E|E";B  
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。 2InM(p7j~K  
   !wC( ]Y  
[attachment=124915]
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