适用于RGB波段高效率偏振无关的倾斜光栅

适用于rgb波段高效率偏振无关的倾斜光栅
技术领域
1.本发明涉及透射光栅技术领域，具体涉及一种适用于rgb波段高效率偏振无关的倾斜光栅，特别是适用于rgb波段的偏振无关垂直入射的-1级高效率倾斜光栅。


背景技术：

2.三维显示技术是当下热门的屏幕显示技术，一般的双目视差3d只能在特定的位置和角度观看，而且容易形成模糊、重影，体验较差。而光场3d显示通过光栅阵列等技术，实现了多个视点，可以提供连续视差，提供较好的裸眼3d体验。其中能适用于rgb三原色的高效率光栅并且能提供一定的偏转角的光栅在三维显示技术中扮演着重要的角色。熔融石英是一种理想的光栅材料，它具有稳定的性能，高损伤阈值和在可见波段的宽透射谱，用于制作光栅工艺流程简单，易于加工。
3.鲁云开等人设计了一种正入射宽光谱宽入射角高效率偏振无关多层倾斜光栅【鲁云开等.光学学报,2020,40(14):1405001.】，具有较大的波长带宽和入射角带宽，但是由于倾斜角较大(71.64度)，加工不易，且在蓝光波段效率不高。
4.使用严格耦合波算法计算倾斜光栅的衍射效率【在先技术2moharam m g et al.,josa a,1995,12(5):1068-1076.】，同时结合模拟退火算法【在先技术3w.goffe et al.,j.econometrics 60,65-99(1994)】优化光栅结构，通过编码的计算机程序得到最优解。但是，目前还没有针对rgb波段实现偏正无关正入射-1级高效率透射的设计。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种适用于rgb波段高效率偏振无关的倾斜光栅，该倾斜光栅为单层，便于加工，倾斜角仅为16度，垂直入射下-1衍射级同时在rgb三个波段达到较高衍射效率。
6.本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
7.一种适用于rgb波段高效率偏振无关的倾斜光栅，所述的倾斜光栅由上至下依次为光栅基底层和倾斜光栅层，其中，所述的光栅基底层为长方体，所述的倾斜光栅层为具有一定倾斜角度的光栅结构。
8.进一步地，所述的光栅基底层和倾斜光栅层的介质材料为熔融石英。
9.进一步地，所述的倾斜光栅的周期为：723～745纳米，脊宽为：460～494纳米，倾斜角：15～16.4度，光栅总深度为：1400～1440纳米。
10.进一步地，所述的倾斜光栅适用于显示技术中，是正入射下-1级高衍射效率的倾斜光栅。
11.本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
12.本发明提出的倾斜光栅的周期为：742.5纳米，光栅倾斜角为：16度，脊宽为：491.1纳米，光栅总深度为：1427纳米。te偏振正入射下-1级衍射光在rgb波段的透射率分别为：红光：86.6％，绿光：87.0％，蓝光：85.2％；在tm偏振正入射下的-1级透射效率分别为：红光：
83.4％，绿光：92.5％，蓝光：84.7％。同时，1级和0级衍射光的效率较低，使得出射光的能量主要集中在-1级上。本光栅结构简单，容差较大，制作方便，能够大规模制造，可适用于显示器中成像显示技术，具有重要的使用前景。
附图说明
13.图1是本发明用于rgb波段偏振无关的垂直入射的-1衍射级高效率的倾斜光栅的几何结构图，
14.图1中，1-代表入射光，2-代表出射光，3-代表折射率n3＝1的均匀介质，4-代表折射率n1＝1.45光栅层，5-代表折射率n2＝1.45的基底层，d-代表光栅周期，b-代表脊宽，h-代表光栅深度，α-代表光栅倾斜角度；
15.图2(a)是本发明要求范围内偏振无关的垂直入射的-1衍射级高效率的倾斜光栅在te偏振光垂直入射下蓝光(中心波长为460纳米)的-1级,0级和1级衍射效率示意图；
16.图2(b)是本发明要求范围内偏振无关的垂直入射的-1衍射级高效率的倾斜光栅在tm偏振光垂直入射下蓝光(中心波长为460纳米)的-1级,0级和1级衍射效率示意图；
17.图3(a)是本发明要求范围内偏振无关的垂直入射的-1衍射级高效率的倾斜光栅在te偏振光垂直入射下绿光(中心波长为526纳米)的-1级,0级和1级衍射效率示意图；
18.图3(b)是本发明要求范围内偏振无关的垂直入射的-1衍射级高效率的倾斜光栅在tm偏振光垂直入射下绿光(中心波长为526纳米)的-1级,0级和1级衍射效率示意图；
19.图4(a)是本发明要求范围内偏振无关的垂直入射的-1衍射级高效率的倾斜光栅在te偏振光垂直入射下红光(中心波长为620纳米)的-1级,0级和1级衍射效率示意图；
20.图4(b)是本发明要求范围内偏振无关的垂直入射的-1衍射级高效率的倾斜光栅在tm偏振光垂直入射下红光(中心波长为620纳米)的-1级,0级和1级衍射效率示意图；
21.图2(a)、图2(b)、图3(a)、图3(b)、图4(a)、图4(b)中，倾斜光栅采用折射率为1.45的熔融石英，光栅周期为：742.5纳米，光栅倾斜角为：16度，脊宽为：491.1纳米，光栅总深度为：1427纳米。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.实施例
24.请先参阅图1，图1是本实施例公开的rgb波段偏振无关的垂直入射的-1衍射级高效率的倾斜光栅几何结构。图中1代表入射光，2代表出射光，3代表折射率n3＝1的均匀介质，4代表折射率n1＝1.45光栅层，5代表折射率n2＝1.45的基底层。d代表光栅周期，b代表脊宽，h代表光栅深度，α代表光栅倾斜角度。tm偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面，而te偏振入射光则对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，入射光垂直入射到光栅。由图所示，本发明用于rgb波段偏振无关的垂直入射的-1衍射级高效率的倾斜光栅光栅的周期为：723～745纳米，脊宽为：460～494纳米，倾斜角：15～16.4度，光栅总深度为：
1400～1440纳米。
25.在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论【moharam m g et al.,josa a,1995,12(5):1068-1076.】仿真模拟光栅结构，计算衍射效率，并结合模拟退火算法【w.goffe et al.,j.econometrics 60,65-99(1994)】对光栅结构进行优化，使其-1衍射级在te、tm偏振光垂直入射条件下，rgb波段的透射率均大于70％。
26.图2(a)和图2(b)分别是本实施例在te偏振光和tm偏振光垂直入射下蓝光(中心波长为460纳米)的-1级,0级和1级衍射效率示意图。
27.图3(a)和图3(b)分别是本实施例在te偏振光和tm偏振光垂直入射下绿光(中心波长为526纳米)的-1级,0级和1级衍射效率示意图。
28.图4(a)和图4(b)分别是本实施例在是本发明在te偏振光和tm偏振光垂直入射下红光(中心波长为620纳米)的-1级,0级和1级衍射效率示意图。
29.如图2(a)和图2(b)，图3(a)和图3(b)，图4(a)和图4(b)所示，本实施例中偏振无关的垂直入射的-1衍射级高效率的倾斜光栅(熔融石英的折射率为1.45)在光栅周期为：742.5纳米，光栅倾斜角为：16度，脊宽为：491.1纳米，光栅总深度为：1427纳米时，-1衍射级在te和tm入射光下，在rgb三个波段的衍射效率均高于80％，同时0级衍射光和1级衍射光衍射效率较低，使得出射光的能量主要集中在-1级上，因此具有实用价值。
30.本实施例中公开的用于rgb波段的偏振无关垂直入射-1级高效率透射的倾斜光栅由电子束直写装置与微电子深刻蚀加工而成，结构简单，容差较大，制作方便，能够大规模制造，刻蚀后的光栅，性能稳定可靠，可适用于显示器中成像显示技术，具有重要的使用前景。
31.表1给出了一系列实施例，表中d代表光栅周期，b为脊宽，h为光栅深度，λ为入射波长，α为光栅倾角，η为衍射效率。在制作本发明用于rgb波段的偏振无关-1级高效率倾斜光栅时，应当根据实际所需要达到的效果，适当选择光栅的周期，脊宽，倾斜角度和凹槽深度。
32.表1.不同参数的倾斜光栅的衍射效率数值表
33.[0034][0035]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。