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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。 EhHW` Zq>}SR
$:<G= 0= -D 任务说明 }$1Aw%p^ ^g*/p[ ot.R Gpg%
b6gD*w< 简要介绍衍射效率与偏振理论 C6wlRvWn 某个衍射级次(𝑛)的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的,瑞利系数包含了每个衍射级次(矢量)电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 *!x/ia9 如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数,则可以计算衍射效率: me/ae{ 7x:j4 其中,n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率,ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外,𝐴表示辐射光的振幅。 0Z>oiBr4 如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数,则必须应用以下方程: parC~)b_ ]<\; -i) 因此,必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下,光栅坐标系中为 。 0-w^y<\ 1w|V'e?kb 光栅结构参数 xn)r6 研究了一种矩形光栅结构。
js8\" 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 =Pgu?WU@ 根据上述参数选择以下光栅参数: Eb=;D1)y] 光栅周期:250 nm 3a#j&] 填充因子:0.5 n)rF!a 光栅高度:200 nm Y4dTv<=K@i 材料n_1:熔融石英(来自目录) bNO/CD4 材料n_2:二氧化钛(来自目录) D^H<)5d9 Gg9NG`e6I 7w=%aW| ?W"9G0hTqM 偏振态分析 yD!V;?EnK 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 ()+;KF8 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 /A) v$Bv= 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。 t#h<'?\E 'zhw]L;'g ^6
sT$set <ArP_!
`3 模拟光栅的偏振态 !j.jvI%e; _A.?:'-
#/9(^6f: _"`U.!3* 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: kM\O2ay 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 ;zO(bj> 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 =pS\gLQu 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 !&Q3>8l kM?p >V6 Passilly等人更深入的光栅案例。 RKP->@Gs Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态,以获得不同状态之间的高度转换。 N{G+|WmQ 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 ~4iIG}Y< 1H_#5hd
<`q|6XWL uOrvmb 光栅结构参数 bMD'teJ 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 %?EOD=e= 由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的,而且确实可以观察到:在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 +mT}};-TS 由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 S!n
9A 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 f. =4p^
c])b?dJ* BKm$H!u 光栅#1——参数 f6Wu+~|Y 假设侧壁倾斜为线性。 `8TM<az-L 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 soZw""|v 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 m!:7ur:Y 光栅周期:250 nm (;a
O% 光栅高度:660 nm va8V{q@t' 填充因子:0.75(底部) szwXr 侧壁角度:±6° G1~|$X@@ n_1:1.46 v}]x>f n_2:2.08 m=S[Y^tR <P5;8
.>?["e #, zux+ooU 光栅#1——结果 GD'C^\EaZ 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 *ma/_rjK 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 !o4xI? xM;gF2
"ngYh]Git$ c`X'Q)c&K 光栅#2——参数 ]+':=&+: 假设光栅为矩形。 =tH+e7it 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 _:'m/K3Ee 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 Oyq<y~} 光栅周期:250 nm =,[46 ;q 光栅高度:490 nm i:kWO7aP 填充因子:0.5 P+3G*M=} n_1:1.46 q 'hV 'U n_2:2.08 4'54 ;^DUtr
; !nj%n L238l 光栅#2——结果 +ZE&]BO{ 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。 d=qpTb;( 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。 e^Xij Id. hCT%1R}rKr G>mgoN kM3BP&
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