考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法技术

考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法，本发明专利技术涉及偏振特性数值计算方法。本发明专利技术为了解决现有的技术未考虑不同位置处膜厚的不均匀性及工作量大、速度慢的问题。具体是按照以下步骤进行的：步骤一、在已知光子晶体结构参数的情况下，通过FDTD数值模拟方法，求得光子晶体上方的空间电磁场分布；步骤二、计算辐射偏振特性，用光学椭偏参数表示；步骤三、计算穆勒矩阵元素，建立数据库；步骤四、利用仪器对光子晶体表面的光学椭偏参数进行测量，并计算穆勒矩阵元素，然后与数据库对比，得到对应的光子晶体表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置。本发明专利技术应用于测量光子晶体表面氧化膜领域。

【技术实现步骤摘要】
考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法
本专利技术涉及偏振特性数值计算方法。
技术介绍
光子晶体是一种广泛应用于多个行业的光学元件。随着加工制造技术的快速发展，光子晶体精度可以达到微纳米级别。由于光子晶体能够调控辐射到其表面的光谱特性，所以广泛应用于光伏电池、卫星热控等多个领域。但是，真实制造加工环境中存在空气，外加温度、湿度等因素，金属以及易氧化非金属材料制作的光子晶体可能会产生表面氧化。以铝制周期性微纳结构为例。因为重量较轻、容易制造等优良特性，铝广泛应用于制造业。但是铝制品极易被空气氧化，在表面形成一层约100nm以内的致密氧化层。因为氧化铝与铝的性质不同，所有这层氧化层会影响周期性微纳结构的性质，降低其性能。所以，有必要检验或监测氧化层的厚度以免生产的产品不符合设计之初的性能要求。1966年，K.S.Yee第一次提出了时域有限差分法(FiniteDifferenceTimeDomain，FDTD)方法，对电磁场分量在空间和时间上采取离散方式，并将包含时间变量的麦克斯韦方程组转化为差分方程组，对时间进行逐步推进求解空间电磁场。辐射偏振特性可以使用光学椭偏参数(反射系数比实部Ψ、反射系数比虚部△)来表示，其数学定义为镜反射方向穆勒(Mueller)矩阵是对椭偏参数的一种处理，可以更好的处理数据。穆勒矩阵的定义为已有专利中，存在两个不足：一是虽然使用椭偏法测量平板膜厚技术已经较为成熟，但测量的是均匀膜厚，未考虑不同位置处膜厚的不均匀性；二是以往椭偏法测量膜厚，需要使用一个入射波段的连续波长，测量这个波段下所有波长所对应的椭偏参数，进而反推出膜的厚度，工作量大，速度较慢。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的技术未考虑不同位置处膜厚的不均匀性及工作量大、速度慢的问题，而提出了光子晶体表面氧化膜分布的辐射偏振特性数值计算方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的：考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、在已知光子晶体结构参数的情况下，通过FDTD数值模拟方法，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体上方的空间电磁场分布；其中，所述空间电磁场为电场和磁场光子晶体结构参数为周期Λ，光子晶体高度h，空隙率w；步骤二、从空间电磁场中提取出镜反射方向的电场分量计算辐射偏振特性，辐射偏振特性使用光学椭偏参数来表示；步骤三、计算光学椭偏参数的穆勒矩阵元素，建立数据库，得到相应光子晶体表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置所对应的穆勒矩阵元素；步骤四、当光子晶体生产完成后，利用测量光子晶体表面辐射偏振特性的仪器对光子晶体表面的光学椭偏参数进行测量，并计算光学椭偏参数的穆勒矩阵元素，然后将穆勒矩阵元素与数据库的穆勒矩阵元素对比，得到相应穆勒矩阵元素对应的光子晶体表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置。考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、在已知光子晶体结构参数的情况下，通过FDTD数值模拟方法，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体上方的空间电磁场分布；其中，所述空间电磁场为电场和磁场光子晶体结构参数为周期Λ，光子晶体高度h，空隙率w；步骤二、从空间电磁场中提取出镜反射方向的电场分量计算辐射偏振特性，辐射偏振特性使用光学椭偏参数来表示；步骤三、计算光学椭偏参数的穆勒矩阵元素，建立数据库，得到相应光子晶体表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置的光子晶体所对应的穆勒矩阵元素；步骤四、当光子晶体生产完成后，依次通过测量光子晶体表面辐射偏振特性仪器的扫描区域测得光学椭偏参数，对光学椭偏参数进行计算得到穆勒矩阵元素，由前三步计算得到的数据库中提取相应光子晶体表面氧化膜厚度和分布位置所对应的穆勒矩阵元素，并根据样品的精度需要设置好相应的光学椭偏参数计算得到穆勒矩阵元素的误差范围；当测得的光学椭偏参数计算得到穆勒矩阵元素在误差允许范围内时，则该光子晶体符合要求；当测得的光学椭偏参数计算得到穆勒矩阵元素超出了误差范围时，则该光子晶体有质量问题；使用电脑记录出现误差的样品编号或者直接使用机械手臂将该样品取出，实时监测光子晶体表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置。专利技术效果采用本专利技术的考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法；本专利技术结合了FDTD数值模拟方法，求得不同氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置的光子晶体上方的空间电磁场分布；从空间电磁场中提取出镜反射方向的电场分量计算辐射偏振特性，辐射偏振特性使用光学椭偏参数来表示；计算光学椭偏参数的穆勒矩阵元素，建立数据库；然后将测量结果与数据库对比，得到氧化膜的厚度及其分布位置；即充分利用了数据库资源，又考虑不同位置处膜厚的不均匀性，解决了现有技术只能测量均匀膜厚而无法测量氧化膜不均匀性的问题。本专利技术结合测量光子晶体表面辐射偏振特性仪器的扫描区域测得光学椭偏参数的方法，对光学椭偏参数进行计算得到穆勒矩阵元素，提取出与数据库的光子晶体表面氧化膜厚度和分布位置所对应的穆勒矩阵元素，并根据样品的精度需要设置好穆勒矩阵元素的误差范围；当测得的光学椭偏参数计算得到穆勒矩阵元素在误差允许范围内时，则该光子晶体符合要求；当测得的光学椭偏参数计算得到穆勒矩阵元素超出了误差范围时，则该光子晶体有质量问题；即充分利用了现有的辐射偏振特性仪器又对误差范围进行了限定，减少了工作量，提高了速度，解决了现有技术对光子晶体表面氧化膜厚度及氧化膜分布位置进行反推的方法工作量大、速度较慢的问题。例如，若以往椭偏法测量使用波长为0.3-0.7微米波段内，每隔0.01取一个入射波长，则需要测量40次。而使用本专利方法，在通过与数据库对比，使用3-5个入射波长即可得到准确值。大大提高了实时监测的速度。附图说明图1为本专利技术流程图；图2为表面未氧化的一维矩形光子晶体结构参数图，Al为铝，Λ为周期，h为光子晶体高度，w为空隙率，XYZ为空间坐标轴；图3为表面氧化的一维矩形光子晶体结构参数图，Al为铝，Al2O3为三氧化二铝，D1为光子晶体凸脊顶部的氧化层厚度、D2为光子晶体凸脊侧面的氧化层厚度、D3为光子晶体基底表面处的氧化层厚度，光子晶体结构参数中，Λ为周期，h为光子晶体高度，w为空隙率，XYZ为空间坐标轴；图4为在入射波长为1.095μm下，D1/Λ＝D2/Λ＝D3/Λ从0变化到0.025，即不同位置处氧化膜厚度相等时，随氧化层厚度的增加镜反射方向Mueller矩阵元素的变化情况图，D1为光子晶体凸脊顶部的氧化层厚度、D2为光子晶体凸脊侧面的氧化层厚度、D3为光子晶体基底表面处的氧化层厚度，Λ为周期，m00为穆勒矩阵第一行第一列元素，m01为穆勒矩阵第一行第二列元素，m02为穆勒矩阵第一行第三列元素，m03为穆勒矩阵第一行第四列元素，m10为穆勒矩阵第二行第一列元素，m11为穆勒矩阵第二行第二列元素，m12为穆勒矩阵第二行第三列元素，m13为穆勒矩阵第二行第四列元素，m20为穆勒矩阵第三行第一列元素，m21为穆勒矩阵第三行第二列元素，m22为穆勒矩阵第三行第三列元素，m23为穆勒矩阵第三行第四列元素，m30为穆勒矩阵第四行第一列元素，m31为穆勒矩阵第四行第二列元素，m32为穆勒矩阵第四行第三列元素，m33为穆勒矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法，其特征在于：考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、在已知光子晶体结构参数的情况下，通过FDTD数值模拟方法，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体上方的空间电磁场分布；其中，所述空间电磁场为电场和磁场光子晶体结构参数为周期Λ，光子晶体高度h，空隙率w；步骤二、从空间电磁场中提取出镜反射方向的电场分量计算辐射偏振特性，辐射偏振特性使用光学椭偏参数来表示；步骤三、计算光学椭偏参数的穆勒矩阵元素，建立数据库，得到相应光子晶体表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置所对应的穆勒矩阵元素；步骤四、当光子晶体生产完成后，利用测量光子晶体表面辐射偏振特性的仪器对光子晶体表面的光学椭偏参数进行测量，并计算光学椭偏参数的穆勒矩阵元素，然后将穆勒矩阵元素与数据库的穆勒矩阵元素对比，得到相应穆勒矩阵元素对应的光子晶体表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置。

【技术特征摘要】
1.考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法，其特征在于：考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、在已知光子晶体结构参数的情况下，通过FDTD数值模拟方法，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体上方的空间电磁场分布；其中，所述空间电磁场为电场和磁场光子晶体结构参数为周期Λ，光子晶体高度h，空隙率w；步骤二、从空间电磁场中提取出镜反射方向的电场分量计算辐射偏振特性，辐射偏振特性使用光学椭偏参数来表示；步骤三、计算光学椭偏参数的穆勒矩阵元素，建立数据库，得到相应光子晶体表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置所对应的穆勒矩阵元素；步骤四、当光子晶体生产完成后，利用测量光子晶体表面辐射偏振特性的仪器对光子晶体表面的光学椭偏参数进行测量，并计算光学椭偏参数的穆勒矩阵元素，然后将穆勒矩阵元素与数据库的穆勒矩阵元素对比，得到相应穆勒矩阵元素对应的光子晶体表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置。2.根据权利要求1所述考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法，其特征在于：所述步骤二中从空间电磁场中提取出镜反射方向的电场分量计算辐射偏振特性，辐射偏振特性使用光学椭偏参数来表示；具体过程为：计算辐射偏振特性采用下式进行计算：辐射偏振特性使用光学椭偏参数来表示；光学椭偏参数分为：光学椭偏参数反射系数比实部Ψ和光学椭偏参数反射系数比虚部△；式中：为p方向复反射系数，为s方向复反射系数，为p方向反射电场矢量，为p方向入射电场矢量，为s方向反射电场矢量，为s方向入射电场矢量，i为虚数单位，ρ为辐射偏振特性。3.根据权利要求2所述考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法，其特征在于：所述步骤三中计算光学椭偏参数的穆勒矩阵元素，建立数据库，得到相应光子晶体表面氧化膜厚度及氧化膜分布不同位置所对应的穆勒矩阵元素；具体过程为：式中：Mr为穆勒矩阵，τ为镜反射方向反射系数，m00为穆勒矩阵第一行第一列元素，m01为穆勒矩阵第一行第二列元素，m02为穆勒矩阵第一行第三列元素，m03为穆勒矩阵第一行第四列元素，m10为穆勒矩阵第二行第一列元素，m11为穆勒矩阵第二行第二列元素，m12为穆勒矩阵第二行第三列元素，m13为穆勒矩阵第二行第四列元素，m20为穆勒矩阵第三行第一列元素，m21为穆勒矩阵第三行第二列元素，m22为穆勒矩阵第三行第三列元素，m23为穆勒矩阵第三行第四列元素，m30为穆勒矩阵第四行第一列元素，m31为穆勒矩阵第四行第二列元素，m32为穆勒矩阵第四行第三列元素，m33为穆勒矩阵第四行第四列元素。4.考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法，其特征在于：考虑光子晶体表面氧化膜分布的偏振特性数值计算方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、在已知光子晶体结构参数的...

【专利技术属性】
技术研发人员：裘俊，冉东方，金荣，赵军明，刘林华，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23