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infotek 2024-12-18 14:34

衍射级次偏振态的研究

摘要 ~@%(RMJm&  
jz %;4e~t  
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。 9Tqn zD  
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=8O}t+U  
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任务说明 e-~hS6p(  
USE   
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简要介绍衍射效率与偏振理论 ~@xT]D!BQ  
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。 9Kc0&?q@D  
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: %'$f ?y  
D`V6&_. p  
其中,n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率,ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外,𝐴表示辐射光的振幅。 SrSG{/{  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数,则必须应用以下方程: ,r@xPZPz:e  
Dp^"J85}   
因此,必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下,光栅坐标系中为 '-`O. 4u  
j0AwL7  
光栅结构参数
OSU{8.  
研究了一种矩形光栅结构。 1d`cTaQ-  
为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 kl| g  
根据上述参数选择以下光栅参数: 5xhM0 (  
光栅周期:250 nm j(&GVy^;?  
填充因子:0.5 w(/7Jt$  
光栅高度:200 nm TS1pR"6l  
材料n_1:熔融石英(来自目录) ol50d73B  
材料n_2:二氧化钛(来自目录) yXkt:O,i  
P%iP:16  
J)_>%.  
Bu&So|@TL  
偏振态分析 Umij!=GPG^  
现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 1bd$XnU  
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。 2v4W6R  
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。 N5yJ'i~,M  
X|,["Az 8  
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U4=]#=R~o  
模拟光栅的偏振态 x9h?e`  
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瑞利系数现在提供了偏振态的信息: WX LK89ev\  
在圆锥入射角为0(𝜑=0)时,。这说明衍射光是完全偏振的。 uN8/Q2   
对于𝜑=22°,。此时,67%的光是TM偏振的。 ^1R"7h  
对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 kY=rz&?U  
C1 tb`  
Passilly等人更深入的光栅案例 0fA=_=A,  
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。 7"#f!.E  
因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 0',[J  
#vtN+E  
Cpe#[mE  
hzq5![/sV  
光栅结构参数 r|<6Aae&  
在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 "sD1T3!\)Q  
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。 Y|_O8[  
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。 o OQ'*7_  
但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 d @m\f  
-;vT<G3  
l~NEGb  
光栅#1——参数 ,[Ag~.T  
假设侧壁倾斜为线性。 zz&vfO31J  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 C!5I?z&  
为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 5?w.rcN[j  
光栅周期:250 nm W+K.r?G<j  
光栅高度:660 nm iKhH^V%j  
填充因子:0.75(底部) v$;@0t:;#  
侧壁角度:±6° 9)Ly}Kzx  
n_1:1.46 XC2FF&B&  
n_2:2.08 fgmSgG"b  
zSKKr?{  
i-]U+m*  
TtZ}"MPZ  
光栅#1——结果 jQ|:I7y  
这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 =DC 3a3&%  
与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 `w+1C&>^[  
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t0.;nv@A0  
光栅#2——参数 b)`pZiQP  
假设光栅为矩形。 *7Xzht&f  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 xG1?F_]  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 M$H`^Pv  
光栅周期:250 nm \E77SO,$  
光栅高度:490 nm Fm5Q&'`l  
填充因子:0.5 o,*=$/or  
n_1:1.46 WL1\y|  
n_2:2.08 :v)6gz(p  
v%nP*i9  
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G|*G9nQ  
光栅#2——结果 s4bv;W  
这两幅图对比之下再次显示出非常好的匹配度,特别是图表的趋势。 8#l+{`$z  
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。 7]Rk+q2:  
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