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2024-01-09 08:05 |
衍射级次偏振态的研究
摘要 z 2/E?$( I1J/de,u 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。 qHU=X"rn w&b?ze{ [attachment=124900] >EVY, d=*&=r0!C{ 任务说明 "8BZj;yS "DpgX8lG_ [attachment=124901] <i!:{'% $,s"c(pv[, 简要介绍衍射效率与偏振理论 p+ki1!Ed 某个衍射级次(𝑛)的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的,瑞利系数包含了每个衍射级次(矢量)电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 q'% cVM 如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数,则可以计算衍射效率: #9's^}i [attachment=124902] 9i8 ~ 其中,n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率,ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外,𝐴表示辐射光的振幅。 \DgWp:| 如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数,则必须应用以下方程: (E*pM$ [attachment=124903] t,v=~LE 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]。 /:BM]K
M%aA1!@/ 光栅结构参数 EN\
uX! 研究了一种矩形光栅结构。 2k}8`P; 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 Z%_m<Nf8T 根据上述参数选择以下光栅参数: ]b&"](A 光栅周期:250 nm n[`KhRN 填充因子:0.5 8-"lK7 光栅高度:200 nm /XeCJxo8 材料n_1:熔融石英(来自目录) u/,ng&! 材料n_2:二氧化钛(来自目录) 6u6,9VG, 2Nau]y]= [attachment=124905] '^6jRI,
&Bc$8ZR 偏振态分析 =KCAHNr4? 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 IW~q,X+`V
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。 o&PPW~D+h@ 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。 HOPi2nf{ |B`
mWZ'" [attachment=124906] U6sPJc< 5@3hb ]J 模拟光栅的偏振态 9Q. }jV k04CSzE"% [attachment=124907] |PY*"Ul :tTP3t5 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: =]Vrl-a`^ 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。 '(.vB~m7*+ 对于𝜑=22°,[attachment=124909]。此时,67%的光是TM偏振的。 j56Dt_ 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 @qaK5 %
a9C]? Passilly等人更深入的光栅案例。 q'zV9 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。 H\[:uUK5\ 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 uY"Bgz:=d F8T.}qI [attachment=124910] qz]g4hS e ab_"W
光栅结构参数 !I UH 5 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 {YT@$K]w, 由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的,而且确实可以观察到:在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 \5ZDP3I 由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 )V6<'>1WZ 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 O.+02C_* [attachment=124911] l^WPv/}? x_eR/B> 光栅#1——参数 wFHz<i!jr& 假设侧壁倾斜为线性。 YH
.+(tNv 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 -sqoE*K[8 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 FsXqF&{ 光栅周期:250 nm "A0J~YvYWJ 光栅高度:660 nm ~6HaZlBB 填充因子:0.75(底部) )8244; 侧壁角度:±6° 7z@Jw n_1:1.46 8`?vWJS n_2:2.08 _1sjsGp> JS:AHJSz [attachment=124912] iAWd
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1TIP23: 光栅#1——结果 due'c!wW 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 =Kh1HU.F 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 ,vE)/{:d QaAWO [attachment=124913] {;0+N -U ]!=,8dY 光栅#2——参数 nxZ[E.-\ 假设光栅为矩形。 D$OUy}[2`. 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 P!*G"^0< 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ^<"^}Jh.M 光栅周期:250 nm ',g'Tl^E 光栅高度:490 nm %=t8 填充因子:0.5 }1)tALA n_1:1.46 DGY?4r7>y n_2:2.08 ra[*E4P9L* }wkZ\q[ [attachment=124914] XzH"dDAVE kTQvMa-X9D 光栅#2——结果 x6BO%1 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。 u+
?Wm40E 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。 9R6]OL)p F4xXJ"vc [attachment=124915]
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