[发明专利]面向LiFi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法

权利要求书

1.面向LiFi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法，其特征在于：所述平面聚光系统包括全息光栅、光波导、可见光探测器，全息光栅与可见光探测器集成于光波导上；全息光栅是由两束构造光束在感光材料薄膜上曝光再通过显影形成的光栅，其中一束构造光束称为参考光束，其入射方向垂直于感光材料，另一束构造光束称为物光束，其入射方向与感光材料的夹角大于光波导的全反射角，入射光线具有光焦度；全息光栅对入射光进行聚光与偏转；光波导对全息光栅衍射光进行光路折叠；全息光栅衍射光耦合进光波导时，耦合角度大于光波导的全反射角；所述光波导采用平板光波导；

所述设计方法的步骤包括：

S1、依据平面聚光系统要求，选择全息光栅与可见光探测器之间的不同集成方案；

全息光栅与可见光探测器之间的集成方案包括三类：（1）可见光探测器位于光波导侧面，平面全息光栅集成于平板光波导上；（2）平面全息光栅与可见光探测器位于平板光波导的同一平面；（3）环形全息光栅与可见光探测器位于平板光波导的同一平面，且可见光探测器位于环形全息光栅的圆心；

S2、设计全息光栅可见光汇聚偏转初始系统：根据步骤S1的集成方案中全息光栅的空间位置、聚光面积，并结合可见光探测器的空间位置，计算没有光波导折叠光线的初始系统；

S3、全息光栅光波导聚光系统设计：依据步骤S2设计的初始系统，在ZEMAX中建立全息光栅光波导模拟模型；

S4、通过光线追迹求解全息光栅出射光线的传播矢量与光栅周期常数；

S5、计算全息光栅的衍射效率；

S6、录制全息光栅与测试。

2.根据权利要求1所述的面向LiFi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法，其特征在于：所述光波导采用由玻璃、PMMA材质构成的平板光波导。

3.根据权利要求1所述的面向LiFi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中初始系统的可见光探测器的中心位置坐标为，其中，为可见光探测器放置位置的横坐标，为光波导的厚度；

全息光栅将准直状态的入射光汇聚偏转汇聚到点，其中，为正整数，表示光线在光波导界面上发生全反射的次数；

入射光线经过全息光栅反射汇聚及偏转后，边缘与中心的偏转角度分别为，，，该偏转角度等于光线入射在光波导界面的入射角，最小的入射角大于光波导的上表面与下表面全发射角，其中，是空气折射率，是光波导材料折射率。

4.根据权利要求1所述的面向LiFi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法，其特征在于，所述步骤S4全息光栅出射光线的传播矢量计算公式如下：

式中，是构造光束的入射光与衍射光传播矢量，是构造光束波长；是重构光束的入射光与衍射光传播矢量，是重构光束波长； 是垂直于全息光栅干涉条纹的光栅矢量，其大小为，其中是光栅周期常数；

波长为的构造光束和波长为的重构光束需满足的布拉格条件，根据布拉格匹配条件，推导出光栅在x方向和z方向的光栅周期常数：

，

式中，和是构造光束中参考光束与物光束的角度，是衍射光栅材料的折射率，是两个构造光束的波长。

5.根据权利要求1所述的面向LiFi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法，其特征在于，所述步骤S5中计算全息光栅的衍射效率的公式为：

式中， 为全息光栅的衍射效率，是全息光栅的折射率调制折射率，是全息光栅的厚度。