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衍射级次偏振态的研究
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infotek
2025-01-10 07:57
衍射级次偏振态的研究
摘要
DD4fV`:kG
Q--VZqn
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。
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任务说明
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简要介绍衍射效率与偏振理论
GomTec9.
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。
QX'EMyK$
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:
@LzqQ[
;m;a"j5
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。
Gg\805L@
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:
}nQni?
`o.DuvQ E
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
。
JMUk=p<\
JVoW*uA
光栅结构参数
Zw)*+> +FV
研究了一种矩形光栅结构。
d=TZaVL$$
为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。
>~g(acH%`x
根据上述参数选择以下光栅参数:
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光栅周期:250 nm
I-fjqo3
填充因子:0.5
lR^OS*v
光栅高度:200 nm
: DxCjv
材料n_1:熔融石英(来自目录)
d"1DE
材料n_2:二氧化钛(来自目录)
Vu%XoI)<KY
[BH^SvE
wz,T7L
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偏振态分析
UogkQ& B
现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。
<h$Nh0
如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。
,Tb~+z|-[
为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。
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A?DgeSm
"w)Y0Qq*z
模拟光栅的偏振态
MpV3.
D['z/r6F
=1JS6~CTLN
/-#1ys#F=
瑞利系数现在提供了偏振态的信息:
hdw-ge m{?
在圆锥入射角为0(𝜑=0)时,
。这说明衍射光是完全偏振的。
-`iXAyr)m
对于𝜑=22°,
。此时,67%的光是TM偏振的。
aw0;
对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。
%~V+wqu
1N`1~y
Passilly等人更深入的光栅案例
。
wIrjWU2
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态,以获得不同状态之间的高度转换。
t8"*jt
因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。
[3yzVcr~4
arCi$:-z@
`m~x*)L#
i/&?e+i
光栅结构参数
D# $Fj
在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。
wknr^A
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的,而且确实可以观察到:在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。
V)$y
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。
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但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。
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^4+ew>BLSv
)yV|vn
光栅#1——参数
(RDY-~#~
假设侧壁倾斜为线性。
KjrUTG0oA
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。
pJ` M5pF
为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。
B! `Dj,_
光栅周期:250 nm
m15MA.R>
光栅高度:660 nm
A@8Ot-t:\2
填充因子:0.75(底部)
b7 pD#v
侧壁角度:±6°
5E~?hWAv
n_1:1.46
dQ6n[$Q@N
n_2:2.08
e}x}Fj</(
Q*S|SH-cZ0
thoAEG80
4"OUmh9LHB
光栅#1——结果
+d[A'&"
这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。
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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。
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U Hej5-B
R W=<EF&
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光栅#2——参数
o/EN3J
假设光栅为矩形。
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忽略了衬底中的欠刻蚀部分。
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矩形光栅足以表示这种光栅结构。
ZS&n,<a5L}
光栅周期:250 nm
\hjGw,d
光栅高度:490 nm
;(a\F
填充因子:0.5
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n_1:1.46
Q^^.@FU"x
n_2:2.08
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N30w^W&
@S/PB[%S
:NB,Dz+i
光栅#2——结果
] gN]Cw\L
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。
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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。
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