體全息光柵案例分析

簡介

體全息光柵 (Volume Holographic Grating, VHG) 是一種基于全息技術的光學衍射元件，具有高衍射效率、窄帶寬和優異的角度/波長選擇性的特性，體全息光柵通過介質內部折射率調制來實現光波調控，具有更優的環境穩定性和光學性能。本文將介紹體全息光柵的工作原理、仿真設計和分析，再到體全息光波導的設計

體全息光柵的工作原理

體全息光柵主要涉及到光學干涉、光敏材料和波矢匹配等物理過程。對于干涉的記錄過程，用于干涉的基準光波和攜帶記錄信息的物光波在光敏材料中疊加形成干涉分布，光敏材料（如光致聚合物）在光照下就會有相應的光化學反應，并對其折射率進行調制，通常折射率調制幅度在0.001-0.1之間。

根據上述原理，OAS 軟件則是可以通過定義物光和參考光及折射率的調制系數，以得到相應的體全息光柵的結構。體光柵相應設置和結構如下：

圖1.1.根據數據生成體光柵ZX折射率分布

光柵波矢的方向取決于入射光的波矢，根據不同的光波參數可以調整體全息光柵對應的角度選擇性和波長選擇性。

在經過上述這樣的一個干涉記錄的過程，實際生產中通過曝光，然后進行顯影漂白。軟件中可以直接計算仿真出不同參數下的體光柵折射率分布，也可以模擬真實的曝光過程，使整體的模型和折射率空間分布更加接近真實的情況。

體全息光柵分析

體全息光柵作為關鍵的一個衍射光學元件，其性能會直接影響 AR 顯示、光通信等應用的最終效果，包括體全息光柵衍射效率測量、角度和波長的選擇性等評估。

對于上述參數生成的體全息光柵模型，如圖1.2 所示，其在x方向的周期為507.61nm。軟件中使用波長為640nm (體全息光柵的設計波長) 的平行光入射到體全息光柵上，通過軟件測量其反射-1級衍射效率，對不同的入射角、波長以及入射光的偏振態進行相應分析，觀察體全息光柵的物理特性。

下圖為不同參數下的該體全息光柵的反射1級衍射效率：

（a）	（b）
（c）	(d)

圖2.1 不同參數下圖1.2 所示的體全息光柵反射-1級衍射效率（參考入射角為60°，波長為640nm）。

(a)p光入射下光柵衍射效率與入射角的關系 (在量化角度59.9°時最大為0.6924)；

(b)p光入射下光柵衍射效率與入射波長的關系 (設計波長640nm時最大為0.6822)；

(c)s光入射下光柵衍射效率與入射角的關系 (在量化角度59.9°時最大為0.9666)；

s光入射下光柵衍射效率與入射波長的關系 (設計波長640nm時最大為0.9658)；

由此可見體全息光柵對波長和角度的選擇性，波長和角度的帶寬精度，以及較高的衍射效率。對體全息光柵進行一定優化和光源合適的偏振態的選取后，體全息光柵的衍射效率目前最高可達到99.8%，通過未來的新型材料和更加精細的曝光工藝有望進一步逼近理論極限。

體全息光波導

體全息光柵具有高衍射效率、精密角度選擇性和窄帶寬特性，可以精準控制光的傳播。相較于傳統的表面浮雕光柵，體全息光柵體積小、重量輕，且具有更強的環境穩定性，并能通過漸變周期實現均勻出瞳擴展，是AR/MR波導設計中的理想選擇。下列展示的體全息光波導系統的傳輸效率可達到82.86%

   

圖3.1 OAS體全息光波導結構示意圖

軟件優勢

對于傳統的BSDF衍射光波導的仿真，需要花費大量的時間成本以及硬件需求來保證前期光柵結構的BSDF數據庫的豐富性和準確性，后續系統仿真過程中也需要花費時間進行BSDF的數據匹配，并且也難以實現跨物理場的優化。但是在OAS光學軟件中，可以在系統級別下同時分析幾何場的傳播和物理場的計算，可以實現跨尺度、跨物理場的分析和優化。大大提升仿真的速度和準確性。

總結

本文介紹了體全息光柵的工作原理和OAS軟件對體全息光柵的建模與分析，并將體全息光柵應用在光波導系統中，展現了軟件在系統設計的全面性與跨尺度計算的優勢。