用于增强现实显示设备的表面浮雕光栅元件的设计

增强现实(augmented reality,AR)系统是一种将虚拟影像叠加到现实环境的显示系统,光波导是AR显示系统的核心元件,可以实现系统的微型化与轻量化。光波导耦合元件衍射效率的高低极大地影响AR显示系统的成像质量,为提高AR显示系统中耦合元件的衍射效率,该文提出了一种多层光栅叠加的波导结构,基于矢量衍射理论,采用严格耦合波分析法对光栅进行仿真分析。仿真结果显示:单层倾斜光栅的平均衍射效率在50°视场角范围内达到60%,3层光栅叠加的波导结构平均衍射效率达到85%以上,较单层光栅衍射效率提高了25%。分析结果表明,多层光栅叠加的波导结构可以实现更大的视场角与衍射效率,使AR显示系统具有更清晰的视场。

褶皱衍射光栅提升绿光量子点发光二极管的光耦合输出效率

为了解决绿光量子点发光二极管(QLED)基底模式陷入光问题,首先通过在柔性聚二甲基硅氧烷基底上蒸镀铝层,自发形成了准周期褶皱结构。这种简单、有效的方法可以制作大面积的褶皱结构,所制作的褶皱结构具有随机取向和宽周期分布的特点。然后,将褶皱结构作为外结构引入到QLED中,构筑了高效的绿光QLED。与参考QLED相比,褶皱QLED的外量子效率(EQE)从12.09%增加到16.06%,提升了32.8%;最大亮度从184600cd·m^(-2)增加到226500cd·m^(-2),在不改变发光峰位的情况下实现了基底模式陷入光的高效提取,为提升绿光QLED性能提供了一种新的选择。

自溯源光栅衍射效率的分析与研究

基于矢量衍射理论并采用严格耦合波方法建立了一种新型的自溯源光栅正弦结构及入射条件与衍射效率的理论模型;通过控制变量法分析了自溯源光栅结构参数、激光入射条件对衍射效率的影响规律;搭建了光栅衍射效率测量系统;结合光栅方程,计算了不同Littrow角对应的衍射效率。仿真结果表明:入射波为TM偏振态、入射波长为420 nm、入射角为80°时,自溯源光栅-1级衍射效率处于峰值状态,为4.3%;在Littrow结构中,入射波为TM偏振态、入射波长为415.51 nm、Littrow角为77.5°时,自溯源光栅-1级衍射效率达到最大,且接近非Littrow角对应的自溯源光栅的峰值衍射效率。实验结果表明:入射波为TM偏振态、入射波长为405 nm、入射角从65°~85°改变时,自溯源光栅的衍射效率呈上升到平稳再下降的趋势,67°~80°改变时,其衍射效率达到平稳最大值,其结果为0.6%左右,其衍射效率变化趋势与理论计算结果一致。

用于光场成像的超构衍射光栅阵列优化

为提高矢量光场显示亮度和视角均匀性,提出了一种应用于圆偏振光场成像的超构光栅结构。利用严格耦合波分析,逐像素对超构光栅结构进行仿真,研究了入射光偏振状态、光栅结构、入射角度对-1级光衍射效率的影响规律。仿真结果表明,圆偏振光显示可以使得光栅衍射效率稳定高效,当光栅周期为500 nm时,与基于TE和TM设计的光栅结构相比,圆偏振光设计的光栅结构衍射效率提高了18.5%和2.6%;光栅高度和占空比对衍射效率具有明显的影响。综合考虑光栅制备难度、衍射效率和视角均匀性,设计了一种高度为0.6μm,占空比为0.4的光栅阵列结构应用于圆偏振光场显示,系统衍射效率可以达到40%以上,具有较优的综合性能,对超构光栅设计制备和裸眼3D显示具有一定指导意义。

矩形光栅的衍射特性

本文采用严格的一阶耦合波理论，对矩形光栅的衍射特性进行了分析，给出了ＴＥ模和ＴＭ模同时具有很高的衍射效率时的光栅结构．计算表明：只有在满足Ｂｒａｇｇ衍射条件时，ＴＥ模和ＴＭ模才能达到峰值衍射效率．为了验证理论与编制程序的正确性。

取样光栅的设计及衍射行为研究

设计了用于惯性约束核聚变系统的取样光栅。利用光全息学的基本原理,设计了记录全息取样光栅掩模的消像差光学系统,并使用光学设计软件ZEMAX分析了它的像差;还利用严格耦合波理论对取样光栅的衍射效率问题进行了深入的研究。研究发现,在占宽比和槽深这两个光栅结构参量中,槽深的变化对衍射效率更敏感。这些都为取样光栅的实际制作提供了有意义的结果。

亚波长光栅的衍射效率

本文使用矢量衍射理论—严格的耦合波理论对亚波长光栅的衍射效率进行了数值计算,得到在不同光栅参数时亚波长光栅的衍射效率,对影响光栅衍射效率的各个光栅参数分别进行分析,讨论了光栅在光栅参数变化时的衍射特性,给出衍射效率随光栅各个参数的变化曲线。由结果可知亚波长光栅的衍射效率随光栅槽的深度以及光栅占空比有着规律性的变化,选取不同的光栅参数就可得到完全不同的衍射效率,这样就为设计出所需要的光栅滤波特性提供了制造依据。

光栅衍射特性的耦合波分析、计算与讨论

本文从麦克斯韦方程组及电磁场边界条件出发,推导了广泛应用于各类光栅衍射问题的矢量分析方法——严格的耦合波分析方法。针对光栅的衍射特性,编写了基于严格的耦合波分析方法的计算程序,并以TE模情形为例对光栅的衍射效率和收敛性作了数值计算。结果表明,当谐波数不断增加,即便对于厚光栅(d/λ>10)情形,光栅的衍射效率仍将收敛于某一确定值。

体全息光栅透镜的设计和应用

设计了一种新型的体全息光栅透镜,在一块光学平板 (体全息记录材料 )内可以将输入光束产生横向传输并聚焦,或对输入光点产生横传的准直 它由一束平面波和一束球面波正交入射到光学平板上干涉形成的 研究了该体全息透镜的光栅间距变化情况,为设计和制备体全息光栅透镜及相关器件提供了理论依据 基于两光束耦合波理论,得到了该光栅透镜的耦合波方程,近似计算了该透镜的衍射效率及其达到高衍射效率时透镜的最佳尺寸 最后,讨论了该透镜在集成光学等领域中的应用 。

光栅的标量衍射理论与耦合波理论的分析比较

光栅的标量衍射理论是计算衍射效率的一种近似方法 ;耦合波理论是分析光栅衍射的严格方法。本文详尽地分析了这两种方法在计算具体的光栅衍射问题时的异同 ,从中得出了有意义的结论 :光栅的标量衍射理论的近似是有条件的 ,光栅周期和光栅槽形就是影响这一近似条件的两大因素。

基于严格耦合波理论的新型耦合光栅分析

针对波导全息平视器中一种新型的耦合光栅结构,基于严格耦合波理论数值分析了其衍射特性,同时对光栅的工艺容差进行了分析,计算了膜厚、槽深、周期与入射波长对耦合效率的影响.该光栅以波导板中内嵌的闪耀光栅锯齿面作基底,镀高折射率的膜层后,覆盖锯齿状的金属膜层.计算结果表明:对于波长532,nm的TE偏振光,空气中0°入射的一级衍射效率可大于90%;当空气中入射光的纵向角在[-8°,12°]、横向角在[-15°,15°]内变化时,一级衍射效率可大于82%且保持平稳.该光栅可在波导全息平视器中,对大视场成像光束进行均匀、高效的耦合.

金属介质膜光栅衍射特性研究

叙述了严格耦合波分析方法的理论框架,基于严格耦合波分析方法编制了金属介质膜光栅数值模拟程序。以-1级衍射效率优于97%的光谱宽度为评价函数,通过计算机优化分析,设计了一种金属介质膜光栅。在TE偏振模式下,能够在以800 nm为中心波长100 nm以上的光谱宽度内获得97%以上的衍射效率。

利用陷光结构增加硅薄膜太阳能电池的吸收效率

提出了一种含有光锥光子晶体防反射层和四棱锥光栅背反射层的a-Si薄膜太阳能电池结构,吸收层厚1μm,总厚度为1.45μm。根据光子晶体及亚波长光栅的衍射特性,利用严格耦合波方法对器件参数进行了优化。计算结果表明：当光锥结构倾角θ=72°、晶格常数T1=1 200 nm、介质底半径r=100 nm时,防反射层的透射率较高,在300-600 nm波长范围内,该薄膜太阳能电池的吸收效率比不含防反射层电池提高了11.54%;当四棱锥光栅结构周期L=1.2μm、占空比f=0.38、槽深h5=560 nm时,背反射层的反射效果较好,在600-850 nm波长范围内,电池的吸收效率提高了3.75%。所设计的薄膜电池结构在波长为300-750 nm、入射角为0°-75°范围内的吸收效率均在80%以上,平均吸收效率达92%,满足太阳电池对宽频谱、广角度的光俘获的要求。

运用严格耦合波理论计算平面电介质光栅的衍射效率

本文阐述了严格耦合波理论的基本思想。针对横电波的情况，详细分析了运用严格耦合波理论实现光栅衍射效率计算的方法，并且进一步给出了编制计算衍射效率程序的步骤。通过一个具体计算实例表明：各衍射级分布的光能量之和等于入射光的能量，满足能量守恒定律，从而证实了计算结果的正确性。

闪耀光栅的衍射特性研究

为了系统研究闪耀光栅的衍射特性,分析光栅结构参量对其衍射效率的影响,采用严格的耦合波分析方法,得到了闪耀光栅的槽顶角、闪耀角等结构参量以及波长与衍射效率的关系。结果表明,随着槽顶角的增大,闪耀角向减少的方向移动,衍射效率则向降低的方向移动;槽顶角一定时,随着光波长的增大,衍射效率降低,同时闪耀角向增大的方向移动;同时分析了闪耀光栅的偏振现象。分析结果可为闪耀光栅的设计提供参考依据。

双层纳米光栅微位移检测仿真

针对现有光栅位移传感器分辨率和精度难以提高、体积较大的难题,设计了面内和离面位移检测的双层纳米级光栅结构。用严格耦合波理论分析了单层纳米光栅的衍射特性,通过Gsolver软件对面内和离面的双层纳米光栅结构进行模拟仿真。仿真结果表明:这2种双层纳米光栅结构的0级透射光和反射光的衍射效率随第二层纳米光栅结构的位移移动量周期性变化,通过探测纳米光栅的衍射效率来获得面内或者离面的位移移动量。

高衍射效率亚波长结构Dammann光栅的设计

传统的Dammann光栅是基于标量衍射理论设计的二值相位等光强分束器件,其衍射效率的典型值为80%左右.基于严格耦合波分析理论和遗传算法,提出了一种设计亚波长结构Dammann光栅的新方法,且该新型二值相位光栅具有较高的衍射效率.同时利用自编的仿真程序包设计了多个光栅,并分析了制作误差对其衍射效率和光强均匀性的影响.仿真结果表明,用该方法所设计的Dammann光栅的衍射效率超过92%.

多点侧面泵浦双包层光纤激光器的对称夹层结构

利用基于亚波长衍射光栅理论的介质-金属-介质的对称夹层结构,对掺杂的双包层光纤进行多点泵浦,根据严格的电磁场衍射理论和光栅方程,分析了多点泵浦时,这种耦合结构的泵浦光泄露的问题,证明了多点泵浦时泵浦光的泄露率仅为15.52%,而对信号光则不存在泄露。这种对称夹层结构可以用于多个大功率激光二极管阵列的多点侧面泵浦双包层掺杂光纤中,以制作各种大功率(数kW级)稀土光纤激光器,其最大耦合效率可以达到80%以上。

对称面形光栅TE模的衍射特性

本文采用耦合波方法计算了对称面形光栅的衍射效率，分析了光栅截面面形为正弦、三角形、矩形、梯形光栅衍射效率与光栅周期、沟槽深度的关系，计算了光栅的峰值衍射效率．理论计算表明：合理地选择光栅周期、沟槽深度，对称面形光栅都可以达到很高衍射效率，接近１００％；

凸球面矩型槽光栅的衍射特性

本文在用耦合波理论研究平面光栅的基础上,提出了分析和解决凸球面光栅衍射效率问题的方法,并从中得出一些有意义的结论：在凸球面光栅的口径半径比较小时,求解其衍射效率可以转化为平面光栅问题来处理。