光横向传播的光折变体全息透镜设计及其衍射性质

提出了一种新型的可用于光束横向传播的光折变体全息透镜。该透镜是由入射方向相互垂直的一束平面波和一束球面波在双掺杂的铌酸锂晶体平板上记录形成的，它可以将垂直入射晶体平板的输入光束产生横向传输并聚焦，或对输入光点产生横传并准直输出。该透镜除了具有一般体全息透镜的稳定性好、可靠性高的特点外，特别具有光束横向传播的功能，因而具有空占比小、更易于整个光学透镜系统的微小化集成的优点。利用局域体全息的耦合波理论，计算了该透镜衍射光的振幅分布和衍射效率。计算了该透镜的焦面上的强度分布，并与理想球面波照射矩形孔径时焦面上的强度分布进行了比较。     

局域体全息光栅衍射的平面波与柱面波的波前转换研究

利用一维耦合波理论研究了入射方向相互垂直的一束平面波与一束柱面波干涉形成光折变局域体全息光栅的波前转换情况。给出了透射波和衍射波振幅的解析表达式。讨论了该局域体全息光栅的几何尺寸以及全息透镜的焦距对光栅衍射效率的影响。结果表明,随着光栅横向尺寸的增加,光栅的衍射效率也逐渐增加。然而,光栅的衍射效率却随着光栅纵向尺寸的增加而减小。全息透镜的焦距越长,光栅的衍射效率也越大。此外,分析了光栅的布拉格选择特性,该光栅具有非常好的角度选择特性。在平面波与柱面波干涉形成全息透镜的设计中,为了获得最优的衍射效率,应当根据要求合理地选择记录所用柱面波和设计光栅的几何尺寸。     

变波长读出条件下光折变局域体全息光栅的衍射性质

利用二维耦合波理论,研究了用短波长记录全息光栅而用通讯波段内的长波长读出时,用于90°结构垂直读出平板型的光折变局域体全息光栅的衍射性质.讨论了局域体全息光栅的几何尺寸对其衍射效率及光栅布喇格选择性的影响.结果表明,随着光栅的纵向和横向尺寸的增加,光栅的衍射效率也逐渐增加.当光栅的纵向和横向尺寸发生改变但光栅的总面积不变时,光栅衍射效率保持不变.此外,随着光栅尺寸的增加光栅的布喇格选择性越好.在利用短波长记录全息光栅而用长波长读出的光学器件设计过程中,为了获得最佳的衍射效率及其布喇格选择特性,应当根据要求合理地设计光栅的几何尺寸.     

全息波导显示系统的实现与优化

在全息波导近眼显示系统中,微像源发出的载像光波经过准直后,被输入耦合光栅耦合入平板波导,进一步在平板波导上下表面内进行全反射传播,到达输出端后通过输出耦合光栅衍射出波导,最终到达人眼。以真实的图像传输为目标,对全息波导光栅的效率、视场角等方面进行理论分析和优化设计,通过激光干涉曝光实验制作了光栅周期为197nm、光栅矢量与介质表面法线方向夹角为26°、厚度为7.5μm的全息光栅,光栅峰值效率大于80%。结合波导光学设计,进一步实现了图像的传输。     

超短脉冲激光光束被局域体全息光栅衍射的性质分析

利用二维耦合波理论,分析了超短脉冲激光光束被完全重叠型的局域体全息光栅衍射的时空变化性质,给出了衍射和透射脉冲激光光束沿光栅出射边界的强度时空分布。以LiNbO3晶体为例,数值研究了衍射光脉冲强度沿光栅出射边界的分布和脉冲波形的变化及光栅的总衍射效率受光栅二维尺寸、入射角度、光栅折射率调制度及入射脉冲的脉冲时域半峰全宽等条件的影响而变化的情况。与一维体全息光栅对超短脉冲激光光束衍射的性质,及此光栅对连续光衍射的性质作比较,给出了合理选择光栅参量及入射条件以在光栅出射边界上得到总衍射效率较大且分布较均匀的衍射光脉冲的方法。     

超短脉冲激光光束在一维反射型体全息光栅中的衍射

基于Kogelnik的耦合波理论,研究了在色散效应的影响下,超短脉冲激光光束在反射型体全息光栅中衍射的性质.研究给出了衍射光及透射光在频谱域及时间域的振幅及强度分布、光栅的光谱宽度及衍射效率随光栅参量及入射条件的变化.数值研究的结果表明,在光栅记录介质色散效应的影响下,衍射光束的光谱宽度减小,脉冲展宽,衍射效率降低.通过适当的选取光栅参量及入射条件,可以控制衍射和透射光束的频谱和时间强度分布,得到满意的衍射和透射光束的带宽和波形,从而可以将其应用于脉冲整形等技术中.     

局域体全息光栅的衍射特性

基于三维耦合波理论，研究了两束有限宽度的任意偏振平面波干涉产生的局域体全息光栅的衍射问题。以单位均匀振幅的任意偏振平面波为例，给出了透射波和衍射波振幅的主分量和交叉分量的解析表达式，讨论了记录过程和再现过程中入射的参考光波的偏振角对透射波和衍射波振幅的影响。计算结果表明，记录过程中的偏振角越小，形成的光栅内的耦合越强，衍射效率越高，但光束质量越差；再现过程中不同的偏振角，由于入射波和衍射波的电矢量的不同方向的耦合强弱不同，透射波和衍射波振幅的主分量和交叉分量的振幅变化行为不同。     

Ce∶KNSBN光折变晶体光栅衍射特性研究

研究了Ce∶KNSBN光折变晶体两波耦合作用写入体光栅的衍射效率与写入光偏振态和光强比的关系 ,分析了写入光偏振态造成光栅衍射效率差别的原因 ,并用修正耦合波理论对实验结果进行了拟合。实验结果为Ce∶KNSBN晶体在全息记录和光学信息处理领域的应用提供了依据。     

Ce:KNSBN光折变晶体光栅衍射特性研究

研究了Ce:KNSBN光折变晶体两波耦合作用写入体光栅的衍射效率与写入光偏振态和光强比的关系, 分析了写入光偏振态造成光栅衍射效率差别的原因, 并用修正耦合波理论对实验结果进行了拟合。 实验结果为Ce:KNSBN晶体在全息记录和光学信息处理领域的应用提供了依据。     

反射型体全息光栅对超短脉冲激光光束衍射的性质

在光栅记录介质色散效应的影响下,拓展Kogelnik的耦合波理论研究了反射型体全息光栅对偏振方向垂直和平行于入射面的超短脉冲激光光束衍射的性质。结果表明对于记录在LiNbO3光折变晶体中的体全息光栅,在色散效应、光栅参量和入射条件的共同影响下,光栅对偏振方向垂直于入射面的超短脉冲激光光束衍射的光谱带宽大于对偏振方向平行于入射面的超短脉冲激光光束衍射的光谱带宽,在不考虑光栅介质色散效应的影响时,它们都变大。进一步给出了衍射光的光谱带宽及光栅的衍射效率随入射脉冲的光谱带宽与光栅的光谱带宽比值的变化情况。     

光轴方向任意时光折变晶体中体全息光栅的衍射性质

利用坐标旋转方法和Kogelnik耦合波理论,建立了光轴方向任意时单轴晶体中体光栅布拉格衍射的耦合波方程,分析了Li NbO3晶体的光轴方向对光折变体全息光栅的各向同性和各向异性布拉格衍射性质的影响。模拟计算表明,在给定光栅的结构参量时,通过适当选择光轴方向角可以使得光折变体光栅的各向同性和各向异性布拉格衍射的衍射效率达到最大,给出了相应类型的衍射效率取得最大值时晶体光轴的大致方向。这些理论分析为光折变体全息光学器件的优化设计和进一步广泛应用提供了很好的理论参考依据。     

Diffraction of an ultrashort pulsed beam with arbitrary polarization state from a volume holographic grating in LiNbO3 crystals

Based on a modified coupled wave theory of Kogelnik, we have studied the diffraction of an ultrashort pulsed beam with an arbitrary polarization state from a volume holographic grating in photorefractive LiNbO₃ crystals. The results indicate that the diffracted intensity distributions in the spectral and temporal domains and the diffraction efficiency of the grating are both changed by the polarization state and spectral bandwidth of the input pulsed beam. A method is given of choosing the grating parameters and input conditions to obtain a large variation range of the spectral bandwidth of the diffracted pulsed beam with an appropriate diffraction efficiency. Our study presents a possibility of using a volume holographic grating recorded in anisotropic materials to shape a broadband ultrashort pulsed beam by modulating its polarization state.     

Analysis of photorefractive volume holographic lenses with different recording and read-out wavelengths

The photorefractive volume holographic lenses for converting a plane wave to a lateral-spread spherical wave with different recording and reconstructing wavelength has been studied. Using the coupled-wave theory, the half-analytical solutions for the amplitudes of the space harmonics of the field inside the transmission geometry are presented. The values of the off-Bragg parameter at the reconstructed process and the diffracted beam's amplitude distribution are analyzed. In addition, the dependences of diffraction properties on the focal length of recording spherical wave and on the geometrical dimensions of the grating are discussed. Furthermore, the focusing properties of this photorefractive holographic lens are analyzed.     

体全息成像系统中非周期体光栅的深度选择性研究

由一束球面波和一束平面波或者两束球面波干涉所形成的体全息光栅,由于其光栅矢量在全息图体积内是随位置的变化而变化的,所以被称为非周期型的体光栅。主要研究了用于体全息三维成像系统的非周期体光栅的深度选择特性。根据叠加的原理,将非周期体光栅看作多个固定周期的基元体光栅的叠加,结合耦合波理论分析非周期体光栅的衍射特性。采用这一方法,利用Matlab软件模拟,研究了两束记录光夹角对所记录的非周期体光栅深度选择性的影响和在两束记录光夹角相同时,球面参考光体全息成像系统及平面参考光体全息成像系统深度选择性的差别,最后在光折变晶体材料中进行非周期型和周期型体光栅的记录和再现,对模拟结果进行了实验验证。     

一种单色全息平板波导显示系统的研究

设计了一种由耦出线性全息光栅和耦入体全息光栅组成的单色全息平板波导显示系统。该系统的工作原理是微型显示器发出的单色图像光波信息经过准直透镜后,通过耦入体全息光栅和耦出线性光栅把图像光波信息从平板玻璃的一端耦入,另外一端耦出,最终在出瞳位置进入人眼。介绍了全息光栅的特点,利用耦合波理论与K矢量闭合法理论推导全息光栅的视场角,同时介绍了全息光栅的设计方法,该方法是通过分束镜将激光分为物光波和参考光波,且按照一定的入射角度在全息干板上发生干涉来实现。模拟仿真结果表明:该系统显示视场角为18°×14°,出瞳距离为30 mm,传递函数MTF在30 lp/mm时均在0.3以上,满足目视系统的使用要求,可以应用于新一代头盔显示系统中。     

新型聚合物分散液晶材料研制的电控体全息光栅

报道了聚合物分散液晶材料全息光栅元件的研制，并研究了聚合物分散液晶材料光栅的衍射特性及电控开关特性。该光栅结合了聚合物分散液晶材料的电控光开关特性和全息光栅的优点，在光通信器件、可调窗口、液晶显示等领域具有广泛的应用前景和巨大的潜在生产力。     

基于全息光学元件的光纤光谱仪的光路设计

基于全息光学理论分析了全息光学元件的高斯成像性质,包括光焦度、成像位置、衍射效率以及作为光纤光谱仪光栅元件的可行性,并以全息光栅的成像理论以及光谱仪工作原理为基础,设计了光谱仪器光学系统的各个参数,通过Zemax软件的仿真、像质评价及优化,得出最终的参数和模拟结果。所使用的全息光栅记录波长为575 nm,记录光束之间的夹角为10,一束为平面波,一束为球面波,焦距40 mm,使用+1级衍射光,光栅孔径为10 mm。光谱仪的工作波长范围为400 nm～800 nm,体积140 mm*30 mm*40 mm,谱面展宽29.1 mm。通过在光学平台上搭建光路,利用已研发完成的电路系统及光谱仪软件,针对汞灯光谱进行了试验,光谱分辨率优于8 nm,测量得到的汞灯光谱与标准汞灯光谱一致,表明了所设计的基于全息元件的光纤光谱仪光学系统是可行的。