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2025-01-10 07:57 |
衍射级次偏振态的研究
摘要 '"xL}8HX} $#G6m`V 光栅结构广泛应用于各种光学应用场景,如光谱仪、近眼显示系统、脉冲整形等。快速物理光学软件VirtualLab Fusion通过使用傅里叶模态方法(FMM,也称为RCWA),为任意光栅结构的严格分析提供了通用和方便的工具。为此,复杂的一维或二维周期结构可以使用界面和调制介质进行配置,这允许任何类型的光栅形貌进行自由的配置。在此用例中,详细讨论了衍射级次的偏振态的研究。 L_Y9+
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~tg1N^]kV (0OSGG9 任务说明 Ox7uG{t$# -}_cO|kk
b(|%Gbg@c nIV.9#~& 简要介绍衍射效率与偏振理论 !@^y)v 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。 to!mz\F 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: WyBQ{H{So
i>tW|N 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。 %z-dM` i 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: 8S.')<-f
QmH/yy3.% 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 。 i!SW?\ FylWbQU9 光栅结构参数 I;kf
#nvao 研究了一种矩形光栅结构。 q)K-vt)98 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 Wj&<"Z6'm( 根据上述参数选择以下光栅参数: &\[Qm{lN 光栅周期:250 nm C
'B4 mmC 填充因子:0.5 lFiq<3Nk 光栅高度:200 nm ;f".'9 l^ 材料n_1:熔融石英(来自目录) Exep+x- 材料n_2:二氧化钛(来自目录) ERp:EZ' %PQldPL8
Ud>`@2 (MgL"8TS 偏振态分析 kF(Ce{;z 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 `"xk,fVYd 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。 9nng}em>. 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。 YH<$ +U _L*f8e8
^H5w41 _-@ZOhw& 模拟光栅的偏振态 C+/Eqq^( U/.w;DI
I$aXnd6) Q?*
nuE 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: u{g]gA8s 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 -;+m%"k5 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 &q4ox7 1 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 DapQ}2'_ ky'|Wk6 Passilly等人更深入的光栅案例。 W.yV/fu Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态,以获得不同状态之间的高度转换。 R&NpdW N 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 r@|R-Binz H,(F1+~d
?@_v,,| Qe2m8 光栅结构参数 pZu?V"R 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 k!Vn4?B"k 由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的,而且确实可以观察到:在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。
fkW3~b 由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 OfD@\;L 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 *GCA6X
V)2"l"Kt x
HY+q; 光栅#1——参数 ])N|[ |$ 假设侧壁倾斜为线性。 `ifb<T 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 h^['rmd 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 BD hLz 光栅周期:250 nm k|^vCZ<(x 光栅高度:660 nm ;JAK[o8i 填充因子:0.75(底部) |$M@09,F" 侧壁角度:±6° /r>IV`n{ n_1:1.46 +*n]tlk n_2:2.08 6e,Apj 0 .JNcY]V#
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Fc9^.* vB Sm=M 光栅#1——结果 ]AFj&CteZ/ 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 j -#E?&2 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 W|lH SrSG{/{
\.5F](: s jSi;S4 光栅#2——参数 b([:,T7 假设光栅为矩形。 @o`sf-8x 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 :eSc; 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 TKK,Y{{ 光栅周期:250 nm aZP2R" 光栅高度:490 nm :){)JZ}-95 填充因子:0.5 =ntftSH n_1:1.46 P_Z M'[ n_2:2.08 T&]Na 6j_ 678
x,w8r+~5 %z30=?VL 光栅#2——结果 u',b1 3g( 这两幅图对比之下再次显示出非常好的匹配度,特别是图表的趋势。 %yeu" 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 'Cg V0&@ RZ*<n$#6
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