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2022-06-27 09:14 |
衍射级次偏振态的研究
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。 zOYG`:/' ./CDW
SgQ(#y|vV H@sM$8 任务说明 :b,An'H E=ObfN"ge
m ~gc c r%`3*<ALV) 简要介绍衍射效率与偏振理论 R?#.z# 某个衍射级次(𝑛)的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的,瑞利系数包含了每个衍射级次(矢量)电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 Pje1,B q 如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数,则可以计算衍射效率: IB^vEY!`6_
-v9x tNg 其中,n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率,ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外,𝐴表示辐射光的振幅。 5e^z]j1Yv 如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数,则必须应用以下方程: "71Y{WQ
<'~6L#>,< 因此,必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下,光栅坐标系中为 。 VL$?vI' Z OqD.=O( 光栅结构参数 !j9(%,PR 研究了一种矩形光栅结构。 5YXMnYt9 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 +^[SXI^JaJ 根据上述参数选择以下光栅参数: &
z5:v-G? 光栅周期:250 nm U/-|hfh 填充因子:0.5 eyos6Qi 光栅高度:200 nm 1+xi1w}3a 材料n_1:熔融石英(来自目录) b:$q5 材料n_2:二氧化钛(来自目录) e4;h*IQK P8 R^46
zRB LkrC -9R.mG 偏振态分析 m(CsO|pz 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 pJ/{X=y 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 Sre:l'. 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 "P$')uwE xiF}{25a
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\ 模拟光栅的偏振态 /pJr%}sc Us3zvpy)o
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SV g 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: M[L@ej 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 Z.N9e 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 z\Z+>A 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 jgBJs^JgYG a,e;(/#\7 Passilly等人更深入的光栅案例。 vhN6_XD 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。 wYh]3 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 ZpZoOdjslV PrF('PH7i
kWgrsN+Z 5?TX.h9B4 光栅结构参数 \# 1p 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 vyT-!mC 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。 ^O**ZndB/ 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。 ^%qQ)>I=j 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 }p*WH$!~
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~Rf; Cm-dos 光栅#1——参数 $^W|@et{
] 假设侧壁倾斜为线性。 U \jFB*U 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 $Y%,?>AL< 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 |j4;XaG) 光栅周期:250 nm 0I*{CVTQj 光栅高度:660 nm QV _aM2 填充因子:0.75(底部) y~wN: 侧壁角度:±6° :* J! n_1:1.46 %%lJyLq'Vk n_2:2.08 ~ _ko$(;A 8>DX
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,+FiP{` y>ePCDR3 光栅#1——结果 b3q&CJ4| 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 :PBW=W 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。 2D"aAI<P ilQt`-O!
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xN9 7 M$cIWe$ 光栅#2——参数 5B;;{GR 假设光栅为矩形。 3u9}z+q 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 8B6-f: 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 i L'j9_w, 光栅周期:250 nm 3/8<dc 光栅高度:490 nm ~P"o_b6,k 填充因子:0.5 ;V84Dy#b n_1:1.46 9M@,BXOt n_2:2.08 ubl)$jZ:Q G1wJ]ar
Bm&6 "fu@2y4^ 光栅#2——结果 B9]bv] 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。 P3TM5 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。 cPX^4d~9 ^(7Qz&q
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