二维周期光栅结构的配置

摘要

复杂光学光栅结构被广泛用于多种应用，如光谱仪、近眼显示系统等。利用傅里叶模态法(FMM，或称RCWA) VirtualLab Fusion 提供了一种用于任意光栅结构严格分析的简单方法。利用图形用户界面，用户可以设置堆栈的几何形状，从而产生复杂的光栅结构。本案例主要集中于具有二维周期光栅结构的配置。
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1. 本案例主要说明：
 如何在光栅工具箱中配置二维光栅结构，通过：
- 基于介质的定义类型
- 基于表面的定义类型
 计算前如何改变高级选型并检查定义的结构。
 注意：在VirtualLab中，具有二维周期性的光栅结构称作3D光栅。因此，层状光栅(一维光栅)被称为2D光栅。

2. 光栅工具箱初始化
 初始化
- 开始→
光栅→
一般光栅光路图(3D光栅)

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 注意：对于特殊类型的光栅，如柱状光栅，可以直接选择特定的光路图。

3. 光栅结构配置
 首先，必须先定义基底的厚度与材料
 在VirtualLab中，光栅结构有一个所谓的堆栈进行定义
 堆栈可以附属在基底的一侧或两侧。
 例如，堆栈选择附属在第一表面。
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基于介质的定义类型
(例如：柱状光栅)
1. 堆栈编辑器
 在堆栈编辑器中，可以从库中增加和插入界面和介质。
 为了以特殊材料定义光栅，必须添加两个平面界面作为边界。

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 两个平面界面间的介质可以使均匀的，也可以是调制的。
 通过使用后者，可以非常有效地描述复杂的光栅结构，如柱状光栅。、
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2. 柱状光栅介质
 在库目录“LightTrans Defined”中，在柱状介质库中可以找到铬柱。
 这种类型的介质可以模拟柱状结构以及衬底上的销孔。
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 在本例中，由铬组成的矩形柱位于熔融石英基底上
 在堆栈编辑器的视图中，不同的材料根据折射率(深色意味着更高)用其他颜色表示。
 注意:堆栈编辑器总是提供x-z平面的横断面视图。
 请注意:界面的顺序总是从基板的表面开始计算。
 选中的界面以红色高亮显示。
 此外，这里不能定义光栅前面的介质（后一个界面后面）。它是自动从光栅元件前面的材料中取出的。
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可以在光学设置编辑器中更改此材料。

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 堆栈周期允许控制整个配置的周期。
 对于具有二维周期性的光栅，周期必须在x和y方向上定义。
 该周期也用于FMM算法的周期性边界条件。对于简单的光栅结构，建议从介质周期中选择“相关的”（Dependent）选项，并选择适当的周期介质指数。
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3. 柱状光栅介质参数
通过以下参数定义柱状光栅：
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 基材(凹槽的介质)
 柱状材料(脊的材料)
 柱的形状(矩形或椭圆形)
 x方向(水平方向)柱距
 y方向(垂直方向)柱距
 行移(允许行位移)
 光栅周期在x和y方向
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 根据柱栅的尺寸和距离自动计算柱栅的周期。
 因此，它不能单独设置，框显示为灰色。
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4. 高级选项&信息
 在传播菜单中有几个高级选项可用。
 propagation method选项卡允许编辑FMM算法的精度设置。
 可以设置每个方向上考虑的总阶数或倏逝波阶数。
 这可能是有用的，尤其是如果考虑金属光栅。
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 相反，对于电介质光栅，默认设置就足够了。
 Advanced Settings选项卡提供关于结构分解的信息。
 层分解和过渡点分解设置可用于调整结构的离散性。默认设置适用于几乎所有光栅结构。
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 此外，还提供了关于层数和转换点的信息。
 分解预览按钮提供了用于FMM计算的结构数据的描述。折射率用色标表示。
 定义的柱栅分解预览(俯视图)。
 •VirtualLab建议将其离散化为2层(1层表示基底)。

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基于界面的定义类型
(例如：截锥光栅)
1. 堆栈编辑器
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2. 截锥光栅
 在本例中，使用了“截锥光栅界面”。
 这种类型的界面可以模拟圆形的高透射结构。
 在本例中，锥体是由位于同一材料基体上的熔融二氧化硅制成的。
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 在堆栈编辑器的视图中，不同的材料根据折射率(深色意味着更高)用其他颜色表示。
 注意:堆栈编辑器总是提供x-z平面的横断面视图。
 请注意:界面的顺序总是从基底的表面开始计算。
 选中的界面以红色高亮显示。
 此外，这里不能定义光栅前面的介质（后一个界面后面）。它是自动从光栅元件前面的材料中取出的。
 这种材料可以在光学设置编辑器中更改。
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 此外，锥体的材料会自动从界面之后的材料中取出。
 在本例中，这意味着使用基底(基块)的材料。
 如果光栅结构是由不同的材料制成的，则必须添加额外的平面界面，以便将光栅结构与底座分离。
 然后根据需要选择截锥与平面界面之间的材料。
 堆栈周期允许控制整个配置的周期。
 对于具有二维周期性的光栅，周期必须在x和y方向上定义。

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