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2024-12-18 14:34 |
衍射级次偏振态的研究
摘要 sWq}/!@& ~vZ1.y4 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。 s BuXwa ~a>3,v-
+b dnTV6 `Z`o[]% 任务说明 \3t)7.:4 b Sg]FB aW
{mHxlG) h9%.tGx 简要介绍衍射效率与偏振理论 iqTmgE- 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。 y0t-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: ~VF?T~Kr_
w (,x{Bg\ 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。 @^Kw\s 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: - :x6X$=
y= 1(o3( 因此,必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下,光栅坐标系中为 。 BQ~\ p\ %(1y 光栅结构参数 BLo=@C%w5 研究了一种矩形光栅结构。 jdD`C`w|, 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 T,4REbm^ 根据上述参数选择以下光栅参数: rIj B{X{Z 光栅周期:250 nm Js,.$t 填充因子:0.5 [4}U*\/>C 光栅高度:200 nm pmDFmES 材料n_1:熔融石英(来自目录) ^ s/f.#' 材料n_2:二氧化钛(来自目录) hTAZGV( 3_Re>i
Xu[A,6 U$IB_a2 偏振态分析 M0MvOO*ad 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 W%}zwQ 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 sCAWrbOe> 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 ?CuwA-j u,Cf4H*xS
14Jkr)N K~\Ocl 模拟光栅的偏振态 @(e/Y/ #Ic-?2Gn4<
^pvnUODW[ ?7aeY5p 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: ;U<rFs40 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 Dn.%+im-u 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 )>^!X$`3 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 )m(?U {c AGOx wd Passilly等人更深入的光栅案例。 yUFT9bD 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。 >o!~T}J7 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 Q2xzux~T 6t`cY
'di(5 q!8aYw+c 光栅结构参数 32,Y3!% 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 kt hy9<!$ 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。 A>J,Bi 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。 (wZ/I(4 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 g,5Tr_
f5&K=4khn B["C~aF 光栅#1——参数 ]9NA3U7F 假设侧壁倾斜为线性。 kTs.ps8ei 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 =$Sd2UD 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 :PDyc(s{ 光栅周期:250 nm /gq
VXDY+` 光栅高度:660 nm _air'XQ&! 填充因子:0.75(底部) ]*vv=@"`e 侧壁角度:±6° >du|DZq n_1:1.46 w|8T6W|w n_2:2.08 4Yya+[RY W 33MYw
Ex$i8fO( aqN6.t 光栅#1——结果 Bh<6J&<n 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 y` 6!Vj l 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。 [$%O-_x QlK]2r9
v<tr1cUT J'Y;j^ 光栅#2——参数 (E]q>'X 假设光栅为矩形。 pt=H?{06 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。
MON]rj7 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 q2~@z-q)b 光栅周期:250 nm N)^`
15w 光栅高度:490 nm 'yR)z\) 填充因子:0.5 j)b[7% n_1:1.46 g.T:72" n_2:2.08 ^K'@W bOS; 1~~
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>nL .*Ylj2nM 光栅#2——结果 Z2D^] 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。 4Bz:n 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。 oA]rwaUX B6xM#)
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