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infotek 2024-12-18 14:34

衍射级次偏振态的研究

摘要 $5i\D rs  
cg8/v:B  
光栅结构广泛应用于各种光学应用场景,如光谱仪、近眼显示系统、脉冲整形等。快速物理光学软件VirtualLab Fusion通过使用傅里叶模态方法(FMM,也称为RCWA),为任意光栅结构的严格分析提供了通用和方便的工具。为此,复杂的一维或二维周期结构可以使用界面和调制介质进行配置,这允许任何类型的光栅形貌进行自由的配置。在此用例中,详细讨论了衍射级次的偏振态的研究。 |HycBTN#E  
N|yA]dg[  
@} r*KF-  
M7/5e3  
任务说明 }dN\bb{#  
zIF1A*UH  
BQ6$T&  
`j{3|C=  
简要介绍衍射效率与偏振理论 6>WkisxG  
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。 ec!e  
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: :zU4K=kR  
#`_W?-%^  
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。 nk|(cyt)  
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: Tv|'6P  
2E-Kz?,:[  
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 lf( +]k30  
-U2Su|:\N8  
光栅结构参数
z -?\b^  
研究了一种矩形光栅结构。 &>c=/]Lop  
为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 /(~ HHNnh  
根据上述参数选择以下光栅参数: fQ9af)d  
光栅周期:250 nm < dE7+w  
填充因子:0.5 oc"p5Y3,Os  
光栅高度:200 nm t%mi#Gh(  
材料n_1:熔融石英(来自目录) Aa9l-:R  
材料n_2:二氧化钛(来自目录) E/H9#  
z"< S$sDh  
h Wt_}'  
!\'w>y7  
偏振态分析 1jx?zvE,  
现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 4M"'B A<  
如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 D!* SA  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 46f- po_  
EZWWv L  
]4O!q}@Cd  
ar@,SKU'K  
模拟光栅的偏振态 w8+ phN(-M  
s1OSuSL>  
Wgf f+7k  
[p4([ef '  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息: HxR5&o  
在圆锥入射角为0(𝜑=0)时,。这说明衍射光是完全偏振的。 67/@J)z0%  
对于𝜑=22°,。此时,67%的光是TM偏振的。 jXx~ 5  
对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 T7qp ({v?Q  
C,ldi"|  
Passilly等人更深入的光栅案例 x6aVNH=  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态,以获得不同状态之间的高度转换。 Mprn7=I{Tg  
因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 {U9{*e$=  
p+Yy"wH:h{  
vmxS^_I  
O4nA ?bA  
光栅结构参数 .&u @-Vm  
在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 :tENn r.9v  
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。 Zp/P/97p  
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。 5aVZ"h"  
但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 iJZvVs',  
ZHRMW'Ne  
DFwiBB6  
光栅#1——参数 /?>W\bP<  
假设侧壁倾斜为线性。 eLH=PDdO  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 h1'm[Y  
为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 dM"5obEb  
光栅周期:250 nm P/S,dhs(  
光栅高度:660 nm # - L<  
填充因子:0.75(底部) ./ tZ*sP:  
侧壁角度:±6° ,*[N_[  
n_1:1.46 ,A#gF_8  
n_2:2.08 f. h3:_r  
s4Jy96<  
%f\j)qw  
OHY|< &*  
光栅#1——结果 P e} T  
这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 ;5|d[r}k3  
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。 ]:#W$9,WL  
&G-dxET]  
  
c r18`xU  
'K23oQwDB  
光栅#2——参数 Z@ec}`UO|u  
假设光栅为矩形。 5HB*  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 e6y!,My<  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ,7d#t4  
光栅周期:250 nm cI6Td*vM  
光栅高度:490 nm ?>R(;B|ER  
填充因子:0.5 Lm^vS u  
n_1:1.46 y2B'0l  
n_2:2.08 ZlMS=<hgFx  
M?m@o1\;W  
1Fsa}UK  
F)aF.'$-/  
光栅#2——结果 !h^_2IX  
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。 /*6[Itm_h  
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。 f]Zj"Tt-  
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