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2024-01-09 08:05 |
衍射级次偏振态的研究
摘要 g*YA~J@ i^.eX
VV/ 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\s1p:% U{oM*[ [attachment=124900] ]7W!f 2@ {Oy|c 任务说明 sZ&|omN V^[&4 [attachment=124901] o(Z~J}l({ mKO~`Wq%@ 简要介绍衍射效率与偏振理论 L f"!:] 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。 *.>@ 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: -;_"Y]# [attachment=124902] !fn%Q'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。 >\?
z,Nin 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: 0Pf88 '6 [attachment=124903] +)q ,4+K%} 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]。 w$f_z*/ 6X h7Bx1 光栅结构参数 ?|W3RK; 研究了一种矩形光栅结构。 W)Y`8&, 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 1%B9xLq 根据上述参数选择以下光栅参数: Evm3Sm!S 光栅周期:250 nm `I wZVz 填充因子:0.5 n)q8y0if 光栅高度:200 nm vJ'22)n 材料n_1:熔融石英(来自目录) h092S |iY 材料n_2:二氧化钛(来自目录) zMP6hn N^oP,^+U [attachment=124905] zi6J|u v0 :n:q 偏振态分析 #
2^H{7 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 dR\yRC]I 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 ~%>i lWaHB 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 v;
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>KrI}>!9r [attachment=124906] |wuTw| ma*#*4 模拟光栅的偏振态 h]& 5O]tkHYR [attachment=124907] C;JW\J~W unn2I|XH 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: pIK:$eN!/ 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。 ?o+%ckH 对于𝜑=22°,[attachment=124909]。此时,67%的光是TM偏振的。 vf.MSk?~ar 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 J{\U w].|0 hizM}d-"C Passilly等人更深入的光栅案例。 )GG9[%H! 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。 56s%Qlgx 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。
AjcKz =bD.5,F) [attachment=124910] (N&?Z]|yr o#wly%i') 光栅结构参数 ZXb{-b?[` 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 U'" #jT 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。 D^%IFwU^ 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。 lJFy(^KQG, 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 1ds4C:M+< [attachment=124911] l59\Lo: }W 5ks-L6 光栅#1——参数 oc,I,v 假设侧壁倾斜为线性。 [UzacX t 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 hE=xS:6 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 aeN #<M&$< 光栅周期:250 nm o[Qb/ 7 光栅高度:660 nm _p: n\9k 填充因子:0.75(底部) Q+Q"J U 侧壁角度:±6° *\'t$se+ n_1:1.46 Wu{_QuAB n_2:2.08 B$2GEg]Ri IowXVdm@6 [attachment=124912] d*Mqs}8 8~Zw" 光栅#1——结果 1\@PrO35J 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 {c3FJ5: 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 Gu$J;bXVj )ddJ\: [attachment=124913] J2x}@p Zx{ Sxv" 光栅#2——参数 N5zWeFq@6 假设光栅为矩形。 E]n]_{BN] 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 (OE S~G 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ?+d{Rh)y 光栅周期:250 nm O6?{@l 光栅高度:490 nm <FBH;}] 填充因子:0.5 <h9nt4F n_1:1.46 7NT}
Zwf n_2:2.08 oZ/"^5 @:CM<+ [attachment=124914] I^f|U 1o\2\B=k{ 光栅#2——结果 TEo 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。 :35h0;8+ 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。 <?IDCOt ? NX%1L!
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