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infotek 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@  
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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$f_z*/  
6X h7Bx1  
光栅结构参数 ?|W3RK;  
研究了一种矩形光栅结构。 W)Y`8&,  
为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 1%B9xLq  
根据上述参数选择以下光栅参数: Evm3Sm!S  
光栅周期:250 nm `IwZVz  
填充因子:0.5 n)q8y0if  
光栅高度:200 nm vJ'22)n  
材料n_1:熔融石英(来自目录) h0 92S|iY  
材料n_2:二氧化钛(来自目录) zMP6hn  
N^oP,^+U  
[attachment=124905] zi6J|u  
v0 :n:q  
偏振态分析 # 2^H{7  
现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 dR\yRC]I  
如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 ~%>i lWaHB  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 v; #y^O  
>KrI}>!9r  
[attachment=124906] |wuTw|  
ma*#*4  
模拟光栅的偏振态 h]&  
5O]tkHYR  
[attachment=124907] C;JW \J~W  
unn2I|XH  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息: pI K:$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{\Uw].|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。 Aj cKz  
=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。 [UzacXt  
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&$<  
光栅周期:250 nm o[Qb/ 7  
光栅高度:660 nm _p:n\9k  
填充因子:0.75(底部) Q+Q"JU  
侧壁角度:±6° *\'t$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。 (OES~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 TE o  
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! #  
[attachment=124915]
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