[发明专利]波导显示亚波长衍射光栅的设计与优化方法

说明书

本发明涉及波导显示亚波长衍射光栅，为提出一种可以不计算梯度，具有多维实数优化，非连续不要求可导，可随时间变化的优化算法来设计用于波导显示系统的亚波长衍射光栅，本发明，波导显示亚波长衍射光栅的设计与优化方法，步骤如下：确定光栅基底材料、膜层数及其镀膜材料折射率，选择参与优化的光栅参数；采用严格耦合波分析理论计算衍射效率并和差分进化算法结合，确定评价函数为所需波长或入射角度范围内反射衍射级次1级衍射效率和目标级次衍射效率的方差；设定目标级次衍射效率；采用差分进化算法进行优化。本发明主要应用于衍射光栅设计制造场合。

技术领域

本发明涉及波导显示亚波长衍射光栅，具体涉及波导显示亚波长衍射光栅的设计与优化方法。

背景技术

随着微纳加工技术的不断发展，亚波长衍射光栅作为核心元件、在光通信、高能激光、天体物理、光学测量、近眼波导显示、偏振成像等领域具有广泛的应用需求与应用前景。

在波导显示技术中，基于亚波长衍射光栅的耦合方式相较于棱镜耦合、自由曲面等耦合方式具有出瞳大、更紧凑、更轻薄、透过率高等优点。亚波长衍射光栅通常只存在0级、±1级衍射，在波导显示系统中，为提高微显示像源的光能利用率以及显示系统的视场角，需设计具有高耦合效率且具有宽耦合角度的亚波长衍射光栅。

然而，由于最小特征尺寸已小于工作波长，对于亚波长光栅的衍射不能由简单的标量衍射理论来计算，而必须采用基于麦克斯韦方程组结合电磁场边界条件的矢量衍射理论来计算，常用的物理分析方法有等效介质理论、时域有限差分理论、严格耦合波分析等。等效介质理论作为直观的一种近似理论，将亚波长衍射光栅等效为各向异性的晶体，分析其等效双折射性能，并可计算不同偏振态入射时，衍射光栅的透/反射、光谱特性。等效介质理论认为，当入射光束进入亚波长衍射光栅时，可以等效为光束进入了均匀介质，光束波前不变。均匀介质的各项性能参数，例如折射率、电导率、磁导率等，可由衍射光栅的浮雕特征确定，而后在等效介质的分界面进行电场强度的计算。

时域有限差分理论(FDTD)将求解的衍射光栅区域离散化，形成规则排列的空间网格，并将麦克斯韦旋度方程转化为差分方程，方程中每个网格点上的电场、磁场分量，与相邻网格的电磁分量、前一时刻场值有关。得到空间、时间均相差半网格的离散网格结构后，求解起始网格的电场、磁场值，推算后一时刻的电场、磁场值，在某一特定时刻，将空间范围内所有的离散网格进行计算，即得到完整的电场、磁场数值解。该方法可以直接展示电磁场与光栅介质相互作用的过程，得到任一空间网格详细的时域场值，适用于任意复杂的空间结构

严格耦合波理论(RCWA)，是20世纪80年代初由M.G.Moharam和T.K.

Gaylord两位学者创立的分析理论。最初是用于平面光栅的分析，后来经过研究和发展，可以对任意形貌的浮雕光栅进行准确的衍射计算，得到广泛应用。严格耦合波理论的计算方法是：对衍射光栅材料的介电常数进行傅里叶展开，展开形式适用于平面或浮雕、损耗或无损、单槽或多槽等光栅结构。在光栅对入射光的相位调制区域，将衍射级次进行展开，分成不同的平面波分量，任一分量的振幅都是光栅特征参数的函数。通过分析介质表面的电磁场连续特性，对光栅相位区域的入射、衍射分量建立微分方程组，并可采用矩阵递归的方法辅助求解，最终获得不同衍射级次的效率值。

由于等效介质是一种近似理论，而时域有限差分的计算量过大，适用于复杂的三维空间结构；对于应用于波导显示系统的亚波长衍射光栅，广泛采用严格耦合波分析计算衍射效率，具有电脑仿真计算量小、物理过程清晰且结论准确的优点。