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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。 /(~
HHN nh 根据上述参数选择以下光栅参数: fQ 9af)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$sDh
hWt_}' !\'w>y7 偏振态分析 1jx?zvE, 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 4M"'B A< 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 D!* SA 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 46f-po_ EZWWvL
]4O!q}@Cd ar@,SKU'K 模拟光栅的偏振态 w8+phN(-M s1OSuSL>
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f+7k [p4([ef
' 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: HxR5&o 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 67/@J)z0% 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 jXx~5 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 T7qp ({v?Q C,ldi"| Passilly等人更深入的光栅案例。 x6aVNH= Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态,以获得不同状态之间的高度转换。 Mprn7=I{Tg 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 {U9{*e$= 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。 h 1'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$9,WL &G-dxET]
cr18`xU 'K23oQwDB 光栅#2——参数 Z@ec}`UO|u 假设光栅为矩形。 5HB* 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 e6y!,My< 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ,7d#t4 光栅周期:250 nm cI6Td*vM 光栅高度:490 nm ?>R(;B|ER 填充因子:0.5 Lm^vS u n_1:1.46 y2B'0l n_2:2.08 ZlMS=<hgFx M?m@o1\;W
1Fsa}UK F)aF.'$-/ 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- Ln4Dq[M
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