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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
78Du
~USt&?
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。
z DU=2c4W9
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任务说明
JhfVm*,
o<G#%9j
N0.|Mb"?t
DU0/if9.
简要介绍衍射效率与偏振理论
l?=\9y
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。
4(|yl^w
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:
Z &Ciy n
! 5NuFLOf
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。
ZZ7qSyBs?
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:
h693TS_N
|1RVm?~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
。
y TD4![
r!+{In+Z
光栅结构参数
Y}1c>5{bE
研究了一种矩形光栅结构。
gf1+yJ^d!
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:
e=WjFnK[x7
光栅周期:250 nm
%/"n(?$W
填充因子:0.5
=o~GLbsER
光栅高度:200 nm
pK@=]K~l0
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)
8 {V9)U
ca{MJz'
$[A\i<#
mAtqF %V
偏振态分析
viG,z4Zf
现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。
?9kC[4G
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。
3o%vV*
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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"FWx;65CR
p 1'l D
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模拟光栅的偏振态
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N-\N\uN
`8ac;b
瑞利系数现在提供了偏振态的信息:
N)H "'#-
在圆锥入射角为0(𝜑=0)时,
。这说明衍射光是完全偏振的。
];OvV ,*
对于𝜑=22°,
。此时,67%的光是TM偏振的。
)1uiY f&k
对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。
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c]PTU2BB8
Passilly等人更深入的光栅案例
。
AJ bCC
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。
sD:o 2(G*
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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]>t~Bcnm
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}OpUG
光栅结构参数
u4C9ZYN
在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。
%.Ma_4o Z
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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:A8}x=K
光栅#1——参数
0O9b 7F
假设侧壁倾斜为线性。
;=Ma+d#
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
6ZqU:^3
光栅高度:660 nm
wq$$. .E
填充因子:0.75(底部)
|O{N_-];.
侧壁角度:±6°
w+g29
n_1:1.46
9D T<
n_2:2.08
b=,BLe\
R2,9%!iiX
)`DVPudiy
r5}p .
光栅#1——结果
Mg;pNK\n
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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|U%NPw5
IT| h;NUG
!8H0.u rw
光栅#2——参数
n<.7tr0f\
假设光栅为矩形。
A2|Bbqd
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。
WH:dcU
矩形光栅足以表示这种光栅结构。
1l,fK)z
光栅周期:250 nm
rNP;53FtZl
光栅高度:490 nm
EYT^*1,E*
填充因子:0.5
+ [w 0;W_
n_1:1.46
,:?ibE=
n_2:2.08
5 pCicwea#
-9b=-K.y
'Z{`P0/^o`
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光栅#2——结果
h`&TDB2
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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