一種敏感位移的光柵結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

王曉慧

(太原工業(yè)學(xué)院 電子工程系，太原 030051)

0 引 言

位移的精密測(cè)量技術(shù)作為測(cè)量研究的一個(gè)重要方向，伴隨制造能力和科技研究的不斷發(fā)展，越來越得到設(shè)備生產(chǎn)部門及研發(fā)公司的密切關(guān)注[1-2]。光柵式的位移測(cè)量技術(shù)憑借高分辨率、高精度、穩(wěn)定性好和非接觸方式等特點(diǎn)在精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。1995年，Moharam等人[5-6]分析了光柵敏感位移的理論原理，為光柵敏感位移傳感器的成功研發(fā)提供了一定的理論支撐；2014年，海德漢公司制造了一種光柵尺，公開報(bào)道的指標(biāo)包括分辨率可達(dá)到1 nm左右，精度在±3 μm[7]；2017年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢江林等人搭建了光柵干涉位移測(cè)量系統(tǒng)[8]，測(cè)量分辨率可達(dá)5 nm。

由于傳統(tǒng)光柵式位移傳感器測(cè)量制造工藝?yán)щy、系統(tǒng)構(gòu)件復(fù)雜和價(jià)格昂貴，分辨率難以提高，體積較大，難以應(yīng)用在尺寸微小的結(jié)構(gòu)中對(duì)微位移進(jìn)行高分辨率的檢測(cè)。針對(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種面內(nèi)位移檢測(cè)的雙層納米光柵結(jié)構(gòu)，通過Gsolver軟件仿真得到光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)與衍射效率之間的關(guān)系，主要對(duì)雙層光柵的上下兩層光柵間隔、光柵周期、光柵占空比及入射波長(zhǎng)進(jìn)行仿真分析，研究在各參數(shù)下雙層納米光柵面內(nèi)位移對(duì)衍射效率的影響，最終得到一組對(duì)位移敏感的光柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在微位移檢測(cè)中。本文設(shè)計(jì)的光柵是通過光學(xué)測(cè)量方法來進(jìn)行微位移檢測(cè)，光柵結(jié)構(gòu)尺寸決定了檢測(cè)分辨率與精度，具有尺寸小和分辨率高等特點(diǎn)。

1 雙層納米光柵衍射理論分析

本文采用嚴(yán)格耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis，RCWA)[9-11]來闡述雙層納米光柵的衍射性質(zhì)，最終分析計(jì)算出雙層納米光柵對(duì)光的衍射效率。

圖1所示為雙層納米光柵結(jié)構(gòu)，入射光的波長(zhǎng)為λ；光柵周期為Λ；光柵間隔為a；光柵厚度為d。柵線垂直面與光的入射面所形成的角度為Φ，光的入射角度為θ，Ψ為電場(chǎng)矢量E與入射面之間的夾角。

圖1 雙層納米光柵結(jié)構(gòu)

1.1 橫電波(TE)偏振型入射光

當(dāng)入射光為TE偏振時(shí)，假定Ψ=90 °，Φ=0 °，每級(jí)反射光及透射光的衍射效率為

1.2 橫磁波(TM)偏振型入射光

當(dāng)入射光為TM偏振時(shí)，假設(shè)Ψ=0 °，Φ=90 °，各級(jí)反射光和透射光的衍射效率為

2 雙層納米光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由上文分析可知，光柵的衍射效率與光柵厚度d、光柵周期Λ、入射角θ、光柵間隔a、入射光波長(zhǎng)λ和光柵占空比f等參數(shù)有關(guān)。通過對(duì)雙層納米光柵的理論分析與仿真，本文提出兩種高衍射效率的雙層納米光柵結(jié)構(gòu)，分別為面內(nèi)微位移檢測(cè)和離面微位移檢測(cè)雙層納米光柵結(jié)構(gòu)，因離面微位移檢測(cè)方式的量程太小[12]，實(shí)用性不大，故本文重點(diǎn)對(duì)實(shí)用性更強(qiáng)的面內(nèi)微位移檢測(cè)雙層納米光柵進(jìn)行分析。圖2所示為面內(nèi)微位移檢測(cè)雙層納米光柵結(jié)構(gòu)。

圖2 面內(nèi)微位移檢測(cè)雙層納米光柵結(jié)構(gòu)

由圖可知，本文所設(shè)計(jì)的參數(shù)包括：光柵間隙g、光柵周期Λ、光柵占空比f和入射光波長(zhǎng)λ。以下用Gsolver軟件仿真分析雙層光柵g、Λ、f和λ的值對(duì)衍射效率的影響。

2.1 光柵間隙g對(duì)衍射效率的影響

雙層光柵初始設(shè)計(jì)為入射光為TE偏振、入射光波長(zhǎng)λ=850 nm、光柵占空比f=0.5、光柵厚度d=390 nm、光柵周期Λ=800 nm，研究?jī)蓪庸鈻砰g隙g=0、100、200、300和400 nm時(shí)，衍射效率與面內(nèi)位移之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同光柵間隙下衍射效率與面內(nèi)位移的關(guān)系

由圖可知，當(dāng)兩層光柵間隙g為200 nm時(shí)，透射光衍射效率與面內(nèi)位移的變化呈正余弦關(guān)系，較其他g的取值更有利于后續(xù)的電學(xué)細(xì)分分析。透射光衍射效率最大值與最小值之差最大為0.70，其差越大，表示透射光的能量越大，靈敏度越高。綜上，我們將兩層光柵間隙g設(shè)計(jì)為200 nm。

2.2 光柵周期Λ對(duì)衍射效率的影響

雙層光柵初始設(shè)計(jì)為入射光為TE偏振、入射光波長(zhǎng)λ=850 nm、光柵占空比f=0.5、光柵間隙g=200 nm、光柵厚度d=390 nm，研究光柵周期Λ=750、800、850、900和950 nm時(shí)，衍射效率與面內(nèi)位移之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 不同光柵周期下衍射效率與面內(nèi)位移的關(guān)系

由圖可知，當(dāng)光柵周期Λ=800 nm時(shí)，透射光衍射效率與面內(nèi)位移的變化呈正余弦關(guān)系，較其他Λ的取值更有利于后面的電學(xué)細(xì)分分析，透射光衍射效率最大值與最小值之差最大為0.7。綜上，將光柵周期Λ設(shè)計(jì)為800 nm。

2.3 光柵占空比f對(duì)衍射效率的影響

雙層光柵的初始設(shè)計(jì)為入射光為TE偏振、入射光波長(zhǎng)λ=850 nm、光柵間隙g=200 nm、光柵厚度d=390 nm、光柵周期Λ=800 nm，研究占空比f=0.3、0.4、0.5、0.6和0.7時(shí)，衍射效率與面內(nèi)位移之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 不同光柵占空比下衍射效率與面內(nèi)位移的關(guān)系

由圖可知，當(dāng)光柵占空比f=0.5時(shí)，透射光衍射效率與面內(nèi)位移的變化呈正余弦關(guān)系，較其他f的取值更有利于后續(xù)的電學(xué)細(xì)分分析；透射光衍射效率最大值與最小值之差最大為0.7，其差越大，表示透射光的能量和靈敏度越大。綜上，將光柵的占空比f設(shè)計(jì)為0.5。

2.4 入射波長(zhǎng)λ對(duì)衍射效率的影響

雙層光柵初始設(shè)計(jì)為入射光為TE偏振、光柵占空比f=0.5、光柵間隙g=200 nm、光柵厚度d=390 nm、光柵周期Λ=800 nm，研究入射光波長(zhǎng)λ=750、800、850、900和950 nm時(shí)，衍射效率與面內(nèi)位移之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 不同入射光波長(zhǎng)下衍射效率與面內(nèi)位移的關(guān)系

由圖可知，當(dāng)入射光波長(zhǎng)λ=850 nm時(shí)，透射光衍射效率最大值與最小值之差為0.7，雖然該值不是最大，但透射光衍射效率與位移的變化呈正余弦關(guān)系，較其他λ的取值更有利于后面的電學(xué)細(xì)分分析。綜上，將入射波長(zhǎng)λ設(shè)計(jì)為850 nm。

3 結(jié)束語

本文采用RCWA闡述了光柵衍射方面的特性，使用Gsolver軟件對(duì)光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要對(duì)雙層納米光柵的上下兩層光柵間隔、光柵周期、光柵占空比和入射波長(zhǎng)進(jìn)行了仿真分析，研究各個(gè)參數(shù)下，雙層納米光柵面內(nèi)位移與衍射效率之間的關(guān)系。最終得到一組對(duì)位移敏感的雙層納米光柵結(jié)構(gòu)，其光柵占空比為0.5、上下兩層光柵間隙為200 nm、光柵厚度為390 nm、光柵周期為800 nm，入射光波長(zhǎng)為850 nm。本文對(duì)雙層納米光柵的研究對(duì)微位移檢測(cè)具有一定的參考作用，設(shè)計(jì)的雙層納米光柵結(jié)構(gòu)能實(shí)施在位移敏感領(lǐng)域。