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亚波长衍射光学元件增透特性的研究

张殿文  
【摘要】: 本论文分为衍射光学元件的理论分析与实验制作两大部分。 在理论分析的部分,本论文完成的主要工作是用耦合波理论分析了在玻璃或硅基底上制作具有亚波长结构的圆柱形网格阵列以实现对入射光的增透作用,为此而编写的程序实际上也可以用来分析计算单位周期内具有任意面形的网格光栅的电磁场衍射特性。我们使用了严格的矢量衍射理论——耦合波理论分析圆柱形网格光栅的衍射特性。通过计算机计算和模拟分析,我们给出了圆柱形网格光栅的抗反射特性与光栅参数和入射光波参数之间的关系。分析结果显示玻璃基底的圆柱形网格光栅能够在整个可见光波段实现抗反射,并且这种抗反射特性与入射光波的偏振态无关。理论分析发现硅基底的圆柱形网格光栅能够在比较大的视场获得比较低的反射率,具有特定参数结构的低反射率硅基底圆柱形网格光栅可以获得与专为大视场设计的金字塔形网格光栅相同的视场角,但它的制作更容易,更简单。我们也通过矢量衍射理论分析了多台阶二维亚波长具有圆锥面形的网格光栅的电磁场衍射特性。 在衍射光学元件的制作实验部分,本论文完成的主要工作是进行刻蚀工艺的研究,对离子束刻蚀产生的面形进行了理论的分析。随着衍射光学元件的应用和半导体工业的发展,对刻蚀工艺中存在的导致刻蚀表面面形发生各种形变的诸多影响因素的数学分析是一个比较复杂和重要的问题。许多的理论与实验的研究指出具有相同能量的离子束对不同基底面形的刻蚀效果是不同的。在制作衍射光学元件以及半导体加工的刻蚀工艺中,刻蚀产生的表面面形随刻蚀时间的延长而产生动态的形变。为了减小分析的难度,本论文采用了一个有效的数学模型,分析了在刻蚀工艺中基底自身面形轮廓的曲线形状对基底局部区域的刻蚀速率产生的影响,我们称这种影响为准单向刻蚀效应,并通过对数学模型的理论分析和计算机模拟得出受此影响而产生的面形形状,并将结果与实验进行对比。在本论文我们主要利用这个数学模型,对使用离子束刻蚀制作单台阶光栅的台阶与沟槽部分的表面面形随时间的演变过程分别进行了计算机模拟分析,并通过把理论结果与在实验中得到的刻蚀表面在原子力显微镜(AFM)下拍摄的照片进行比较,结果说明这种模拟分析能够保证对该问题分析所要求的精度,从而也证明了理论模型的合理性和正确性。


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