考慮光子晶體表面氧化膜分布的偏振特性數(shù)值計(jì)算方法
【專利摘要】考慮光子晶體表面氧化膜分布的偏振特性數(shù)值計(jì)算方法，本發(fā)明涉及偏振特性數(shù)值計(jì)算方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的技術(shù)未考慮不同位置處膜厚的不均勻性及工作量大、速度慢的問(wèn)題。具體是按照以下步驟進(jìn)行的：步驟一、在已知光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，通過(guò)FDTD數(shù)值模擬方法，求得光子晶體上方的空間電磁場(chǎng)分布；步驟二、計(jì)算輻射偏振特性，用光學(xué)橢偏參數(shù)表示；步驟三、計(jì)算穆勒矩陣元素，建立數(shù)據(jù)庫(kù)；步驟四、利用儀器對(duì)光子晶體表面的光學(xué)橢偏參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算穆勒矩陣元素，然后與數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，得到對(duì)應(yīng)的光子晶體表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置。本發(fā)明應(yīng)用于測(cè)量光子晶體表面氧化膜領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】考慮光子晶體表面氧化膜分布的偏振特性數(shù)值計(jì)算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及偏振特性數(shù)值計(jì)算方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 光子晶體是一種廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)的光學(xué)元件。隨著加工制造技術(shù)的快速發(fā) 展，光子晶體精度可W達(dá)到微納米級(jí)別。由于光子晶體能夠調(diào)控福射到其表面的光譜特性， 所W廣泛應(yīng)用于光伏電池、衛(wèi)星熱控等多個(gè)領(lǐng)域。但是，真實(shí)制造加工環(huán)境中存在空氣，外 加溫度、濕度等因素，金屬W及易氧化非金屬材料制作的光子晶體可能會(huì)產(chǎn)生表面氧化。W 侶制周期性微納結(jié)構(gòu)為例。因?yàn)橹亓枯^輕、容易制造等優(yōu)良特性，侶廣泛應(yīng)用于制造業(yè)。但 是侶制品極易被空氣氧化，在表面形成一層約lOOnmW內(nèi)的致密氧化層。因?yàn)檠趸瘋H與侶 的性質(zhì)不同，所有該層氧化層會(huì)影響周期性微納結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，降低其性能。所W，有必要檢 驗(yàn)或監(jiān)測(cè)氧化層的厚度W免生產(chǎn)的產(chǎn)品不符合設(shè)計(jì)之初的性能要求。
[0003] 1966 年，K.S.Yee 第一次提出了時(shí)域有限差分法（Finite Difference Time Domain,抑TD)方法，對(duì)電磁場(chǎng)分量玄、互在空間和時(shí)間上采取離散方式，并將包含時(shí)間變 量的麥克斯韋方程組轉(zhuǎn)化為差分方程組，對(duì)時(shí)間進(jìn)行逐步推進(jìn)求解空間電磁場(chǎng)。
[0004] 福射偏振特性可W使用光學(xué)楠偏參數(shù)（反射系數(shù)比實(shí)部W、反射系數(shù)比虛部A ) 來(lái)表示，其數(shù)學(xué)定義為
[0005]

【權(quán)利要求】
1. 考慮光子晶體表面氧化膜分布的偏振特性數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于：考慮光子晶 體表面氧化膜分布的偏振特性數(shù)值計(jì)算方法具體是按照以下步驟進(jìn)行的： 步驟一、在已知光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，通過(guò)FDTD數(shù)值模擬方法，求得表面包覆 不同氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置的光子晶體上方的空間電磁場(chǎng)分布； 其中，所述空間電磁場(chǎng)為電場(chǎng)J和磁場(chǎng)丑； 光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)為周期A，光子晶體高度h，空隙率w; 步驟二、從空間電磁場(chǎng)中提取出鏡反射方向的電場(chǎng)分量計(jì)算輻射偏振特性，輻射偏振 特性使用光學(xué)橢偏參數(shù)來(lái)表不； 步驟三、計(jì)算光學(xué)橢偏參數(shù)的穆勒矩陣元素，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，得到相應(yīng)光子晶體表面氧化 膜厚度及氧化膜分布不同位置所對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣元素； 步驟四、當(dāng)光子晶體生產(chǎn)完成后，利用測(cè)量光子晶體表面輻射偏振特性的儀器對(duì)光子 晶體表面的光學(xué)橢偏參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算光學(xué)橢偏參數(shù)的穆勒矩陣元素，然后將穆勒矩 陣元素與數(shù)據(jù)庫(kù)的穆勒矩陣元素對(duì)比，得到相應(yīng)穆勒矩陣元素對(duì)應(yīng)的光子晶體表面氧化膜 厚度及氧化膜分布不同位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述光子晶體表面氧化膜分布的輻射偏振特性數(shù)值計(jì)算方法，其特 征在于：所述步驟二中從空間電磁場(chǎng)中提取出鏡反射方向的電場(chǎng)分量計(jì)算輻射偏振特性， 輻射偏振特性使用光學(xué)橢偏參數(shù)來(lái)表示；具體過(guò)程為：計(jì)算輻射偏振特性采用下式進(jìn)行計(jì) 算：福射偏振特性使用光學(xué)橢偏參數(shù)來(lái)表不；光學(xué)橢偏參數(shù)分為：光學(xué)橢偏參數(shù)反射系數(shù) 比實(shí)部W和光學(xué)橢偏參數(shù)反射系數(shù)比虛部A;
式中為P方向復(fù)反射系數(shù)，^為s方向復(fù)反射系數(shù)，式p為p方向反射電場(chǎng)矢量，< 為P方向入射電場(chǎng)矢量，為S方向反射電場(chǎng)矢量，瓦為S方向入射電場(chǎng)矢量，i為虛數(shù)單 位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述光子晶體表面氧化膜分布的輻射偏振特性數(shù)值計(jì)算方法，其特 征在于： 所述步驟三中計(jì)算光學(xué)橢偏參數(shù)的穆勒矩陣元素，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，得到相應(yīng)光子晶體表 面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置所對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣元素；具體過(guò)程為：
式中：M1?為穆勒矩陣，T為鏡反射方向反射系數(shù)，IIlcici為穆勒矩陣第一行第一列元素，IIlcil 為穆勒矩陣第一行第二列元素，Hitl2為穆勒矩陣第一行第三列元素，mM為穆勒矩陣第一行第 四列元素，m1(l為穆勒矩陣第二行第一列元素，mn為穆勒矩陣第二行第二列元素，m12為穆勒 矩陣第二行第三列元素，m13為穆勒矩陣第二行第四列元素，m2(|為穆勒矩陣第三行第一列元 素，m21為穆勒矩陣第三行第二列元素，m22為穆勒矩陣第三行第三列元素，m23為穆勒矩陣第 三行第四列元素，為穆勒矩陣第四行第一列元素，m31為穆勒矩陣第四行第二列元素，m32 為穆勒矩陣第四行第三列元素，為穆勒矩陣第四行第四列元素。
4. 考慮光子晶體表面氧化膜分布的偏振特性數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于：考慮光子晶 體表面氧化膜分布的偏振特性數(shù)值計(jì)算方法具體是按照以下步驟進(jìn)行的： 步驟一、在已知光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，通過(guò)FDTD數(shù)值模擬方法，求得表面包覆 不同氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置的光子晶體上方的空間電磁場(chǎng)分布； 其中，所述空間電磁場(chǎng)為電場(chǎng)互和磁場(chǎng)丑； 光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)為周期A，光子晶體高度h，空隙率w; 步驟二、從空間電磁場(chǎng)中提取出鏡反射方向的電場(chǎng)分量計(jì)算輻射偏振特性，輻射偏振 特性使用光學(xué)橢偏參數(shù)來(lái)表不； 步驟三、計(jì)算光學(xué)橢偏參數(shù)的穆勒矩陣元素，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，得到相應(yīng)光子晶體表面氧化 膜厚度及氧化膜分布不同位置的光子晶體所對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣元素； 步驟四、當(dāng)光子晶體生產(chǎn)完成后，依次通過(guò)測(cè)量光子晶體表面輻射偏振特性儀器的掃 描區(qū)域測(cè)得光學(xué)橢偏參數(shù)，對(duì)光學(xué)橢偏參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到穆勒矩陣元素，由前三步計(jì)算得 到的數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相應(yīng)光子晶體表面氧化膜厚度和分布位置所對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣元素，并根 據(jù)樣品的精度需要設(shè)置好相應(yīng)的光學(xué)橢偏參數(shù)計(jì)算得到穆勒矩陣元素的誤差范圍； 當(dāng)測(cè)得的光學(xué)橢偏參數(shù)計(jì)算得到穆勒矩陣元素在誤差允許范圍內(nèi)時(shí)，則該光子晶體符 合要求； 當(dāng)測(cè)得的光學(xué)橢偏參數(shù)計(jì)算得到穆勒矩陣元素超出了誤差范圍時(shí)，則該光子晶體有質(zhì) 量問(wèn)題； 使用電腦記錄出現(xiàn)誤差的樣品編號(hào)或者直接使用機(jī)械手臂將該樣品取出，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光 子晶體表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述光子晶體表面氧化膜分布的輻射偏振特性數(shù)值計(jì)算方法，其特 征在于： 所述步驟二中從空間電磁場(chǎng)中提取出鏡反射方向的電場(chǎng)分量計(jì)算輻射偏振特性，輻射 偏振特性使用光學(xué)橢偏參數(shù)來(lái)表示；具體過(guò)程為：計(jì)算輻射偏振特性采用下式進(jìn)行計(jì)算： 福射偏振特性使用光學(xué)橢偏參數(shù)來(lái)表不；光學(xué)橢偏參數(shù)分為：光學(xué)橢偏參數(shù)反射系數(shù)比實(shí) 部W和光學(xué)橢偏參數(shù)反射系數(shù)比虛部A;
式中：^為P方向復(fù)反射系數(shù)，^為s方向復(fù)反射系數(shù)，尾^為p方向反射電場(chǎng)矢量， 為P方向入射電場(chǎng)矢量，I為S方向反射電場(chǎng)矢量，尾為S方向入射電場(chǎng)矢量，i為虛數(shù)單 位。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述光子晶體表面氧化膜分布的輻射偏振特性數(shù)值計(jì)算方法，其特 征在于： 所述步驟三中計(jì)算光學(xué)橢偏參數(shù)的穆勒矩陣元素，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，得到相應(yīng)光子晶體表 面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置的光子晶體所對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣元素；具體過(guò)程為：
式中：M1?為穆勒矩陣，T為鏡反射方向反射系數(shù)，IIlcici為穆勒矩陣第一行第一列元素，IIlcil 為穆勒矩陣第一行第二列元素，Hitl2為穆勒矩陣第一行第三列元素，mM為穆勒矩陣第一行第 四列元素，Hiltl為穆勒矩陣第二行第一列元素，mn為穆勒矩陣第二行第二列元素，m12為穆勒 矩陣第二行第三列元素，m13為穆勒矩陣第二行第四列元素，m2(|為穆勒矩陣第三行第一列元 素，m21為穆勒矩陣第三行第二列元素，m22為穆勒矩陣第三行第三列元素，m23為穆勒矩陣第 三行第四列元素，為穆勒矩陣第四行第一列元素，m31為穆勒矩陣第四行第二列元素，m32 為穆勒矩陣第四行第三列元素，為穆勒矩陣第四行第四列元素。
【文檔編號(hào)】G01N21/21GK104502282SQ201510030651
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2015年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月21日
【發(fā)明者】裘俊, 冉東方, 金榮, 趙軍明, 劉林華 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)