应用于全息波导的新型耦合光栅衍射特性研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：O436.1密级：公开UDC：535.4学号：151188应用于全息波导的新型耦合光栅衍射特性研究研究生姓名：石在耀导师姓名：杨兰兰申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称电子科学与技术论文答辩日期2018年6月6日二级学科名称物理电子学学位授予日期2018年月日答辩委员会主席屠彦评阅人朱卓娅张毅2018年6月8日硕士学位论文应用于全息波导的新型耦合光栅衍射特性研究专业名称：物理电子学研究生姓名：石在耀导师姓名：杨兰兰STUDYONTHEDIFFRACTIONCHARACTERISTICSOFNOVELCOUPLINGGRATINGAPPLIEDON

2、HOLOGRAPHICWAVEGUIDEAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYSHIZaiyaoSupervisedbyYANGLanlanSchoolofElectronicScienceandEngineeringSoutheastUniversityMay2018东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为

3、获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形

4、式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要以全息波导头盔显示为代表的新型头盔显示技术，由于其同时利用了全息光学元件的衍射作用以及波导光学元件的全内反射特性，具有体积小、重量轻、衍射效率高等优点，得到了研究人员的广泛关注。其中，反射体全息光栅由于具有衍射效率高、衍射级次少等特点，成为全息波导头盔显示系统中理想的耦合光学元件。本文首先利用严格耦合波分析（RCWA）理论，基于MATLAB软件开发了光栅模拟软件的图形用户接口界面，可方便地进行各种光栅的分析设计。然后基于COMSOL软件，建立了全息波导系统与光栅结构的基于有限元方法（FEM）的仿真模型，通过反射体全息光栅

5、的仿真分析对两种方法进行相互验证，证明了仿真方法的有效性。接着本文通过对体全息光栅和亚波长二元光栅衍射特性的分析，提出了一种体全息光栅和亚波长二元光栅直接耦合的新型耦合光栅结构，并从理论推导和仿真实验两方面证明了新型耦合光栅获得高衍射效率必须满足波矢匹配关系，即体全息光栅在二元光栅方向的波矢分量与二元光栅的波矢相等。同时本文通过仿真实验研究了新型耦合光栅中两光栅的相对位置对衍射效率的影响作用，从而发现新型耦合光栅存在衍射级能量的再分配现象，并获得了耦合效应分析的解析表达式。通过优化几何结构、材料属性等参数，所得单绿色新型耦合光栅相对于优化的普通反射体全息光栅，在TM波和TE波垂直入射时，其

6、主衍射级的衍射效率分别提升了18.5%和4.1%，且杂散光少；同时在偏移布拉格条件入射时，可获得更高的衍射效率，具有更好的视场角。此外，在新型耦合光栅分析的基础上，建立了全息波导系统的仿真模型，分析了单色全息波导系统的衍射特性。研究结果表明，对单绿色全息波导系统而言，出入耦合光栅采用新型耦合光栅，TM波和TE波的衍射效率最高可分别提高33%和8.1%。本文新型耦合光栅衍射特性的分析研究为提高全息波导头盔显示系统的耦合效率提供了一种新的方法，对全息波导头盔显示系统整体成像质量的提高具有重大的意义和价值。关键词：全息波导，反射体全息光栅，亚波长二元光栅，波矢匹配，衍射效率IAbstractAb

7、stractThenewhelmet-mounteddisplaytechnologyrepresentedbyholographicwaveguidehasreceivedextensiveattentionofresearchersfortheadvantagesofsmallsize,lightweight,andhighdiffractionefficiency.Itutilizesthediffractione