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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
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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
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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。
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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:
/k8Lu+OJ
Z;Q2tT/F
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。
$p:RnH\H1
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:
BdBwfH%:
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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
。
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>G7dw1;
光栅结构参数
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研究了一种矩形光栅结构。
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为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。
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根据上述参数选择以下光栅参数:
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光栅周期:250 nm
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填充因子:0.5
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光栅高度:200 nm
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材料n_1:熔融石英(来自目录)
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材料n_2:二氧化钛(来自目录)
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偏振态分析
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现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。
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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。
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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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模拟光栅的偏振态
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息:
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在圆锥入射角为0(𝜑=0)时,
。这说明衍射光是完全偏振的。
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对于𝜑=22°,
。此时,67%的光是TM偏振的。
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对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。
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jk(tw-B
Passilly等人更深入的光栅案例
。
Q|KD$2rB
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。
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因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。
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光栅结构参数
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在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。
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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。
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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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光栅#1——参数
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假设侧壁倾斜为线性。
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忽略了衬底中的欠刻蚀部分。
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为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。
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光栅周期:250 nm
/np05XhEa
光栅高度:660 nm
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填充因子:0.75(底部)
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侧壁角度:±6°
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n_1:1.46
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n_2:2.08
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光栅#1——结果
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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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光栅#2——参数
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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。
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光栅周期:250 nm
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光栅高度:490 nm
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填充因子:0.5
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n_1:1.46
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光栅#2——结果
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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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