《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Design of a Composite Rectangular Surface-Relief Grating for RGB-Uniform and Polarization-Independent Diffraction
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本文提出一种复合矩形表面浮雕光栅结构，通过空间叠加多级一阶光栅剖面实现单层复合结构。结合RCWA与PSO算法优化参数，在20°视场范围内，RGB波长衍射效率均匀性误差≤4.3%，极化响应误差≤9.3%，且对光栅尺寸20nm偏差具有良好耐受性，为近眼全息显示提供高兼容性解决方案。
作者：齐东波、陈明阳、侯启超、宋强
单位：江苏大学光电信息科学与工程学院，镇江，212013，中国
摘要
在近眼显示领域，采用表面浮雕光栅（SRGs）的衍射波导结构一直是研究热点，其设计具有重要的研究潜力。本文提出了一种复合矩形SRG结构，该结构通过多个一阶矩形光栅轮廓的空间叠加形成。这种配置使得不同波长的光在光栅内的能量耦合行为更加一致，从而实现了RGB波段的均匀衍射效率及稳定的偏振响应。通过严格的耦合波分析（RCWA）与粒子群优化（PSO）算法对光栅进行了系统分析和优化。结果表明，偏振均匀性误差仅为9.3%，偏振平均衍射效率的均匀性误差仅为4.3%。在20°的宽视场范围内，RGB波长的衍射效率保持均匀，显示出良好的波长复用能力和在单层波导中均匀传输光的能力。此外，即使光栅的高度和宽度偏差在20纳米以内，效率波动也保持在5%以下，表明该结构具有较好的制造容忍度和实用性。
引言
增强现实近眼显示（AR-NED）技术能够将虚拟信息叠加到真实场景上，提供了一种直观且沉浸式的信息可视化方式，并在工业制造、医疗辅助、教育和智能系统等领域展现出广泛的应用潜力[1][2]。在各种AR-NED光学架构中，基于波导的解决方案因其超薄外形、轻量化特性和可扩展的视场能力而被视为下一代系统的最有前景的候选者[3][4][5]。基于波导的AR显示器通常可以分为几何波导和衍射波导。特别是利用表面浮雕光栅进行光耦合、出耦合和瞳孔扩展的衍射波导，由于其紧凑的结构、高集成度和适合大规模制造的特点而受到了广泛关注[6][7]。在这些系统中，耦合光栅的衍射效率、光谱带宽、偏振响应和角度容忍度对决定波导显示器的颜色均匀性、可实现的视场范围和亮度均匀性起着关键作用。因此，衍射光栅的结构设计和性能优化已成为AR光学领域的核心研究重点。早期的衍射波导耦合器主要依赖于单层矩形表面浮雕光栅，因为它们具有简单的几何形状和易于制造的特点，并且在特定的波长、入射角和偏振状态组合下可以提供高衍射效率[8][9]。然而，实际的全彩色增强现实显示器必须在整个可见RGB光谱范围内工作，并同时支持宽角度范围以实现大视场。在这些条件下，不同波长和入射角在光栅结构内的耦合行为不同，导致衍射效率出现明显的波长和角度依赖性变化。因此，传统的单层矩形光栅在同时实现均匀RGB衍射效率方面存在固有限制，从而导致衍射波导显示器的亮度不均匀和颜色不平衡[10][11][12]。
为了减轻单层矩形光栅的波长和角度依赖性不均匀性问题，提出了多种系统级和结构级解决方案。一种代表性的方法是采用多波导或多层架构，其中独立的波导用于处理各自的RGB通道[13][14]。虽然这种配置可以有效缓解色度不均匀性问题，但不可避免地会增加系统的厚度、重量和光学对准复杂性，从而限制了其在紧凑型近眼显示应用中的适用性。基于衍射波导配置的替代策略，如采用线性表面浮雕光栅的双面结构，也通过自对准几何形状来提高耦合效率[15]。在光栅结构层面，已经探索了各种几何改进措施以提升光谱和偏振性能。特别是，倾斜表面浮雕光栅通过引入额外的结构自由度，在RGB波长范围内实现了高效且偏振独立的衍射[16]。最近，报道了采用不同材料组合的双层和多层倾斜光栅设计，进一步扩展了操作带宽并提高了偏振均匀性[17][18]。尽管取得了这些进展，传统的倾斜光栅主要针对单色光设计。实现全彩色显示器通常需要物理堆叠多层结构，这大大增加了制造复杂性、成本和波导体积。此外，倾斜光栅所需的倾斜蚀刻工艺引入了相当大的制造挑战。因此，仍然迫切需要能够在保持简单几何形状和高制造可行性的同时，提供均匀RGB衍射效率、偏振独立性能和宽角度容忍度的光栅设计。
除了传统的SRGs之外，还探索了复用不同结构的概念以实现多波长响应。例如，已经证明在偶氮聚合物上空间叠加正弦光栅可以实现可调RGB衍射[19]，而多层衍射透镜中的波长复用实现了多焦点功能[20]。对于AR波导应用，逆向设计的超表面最近实现了令人印象深刻的消色差性能和宽视场[21]。然而，这些方法在大规模生产中常常遇到实际限制。超表面通常依赖于高度复杂的二维亚波长纳米图案化，而基于偶氮聚合物的光栅所使用的材料与AR波导制造中常用的刚性玻璃或树脂基底不太兼容。
受此挑战的启发，我们提出了一种复合矩形表面浮雕光栅，该光栅通过空间叠加多个一阶矩形光栅轮廓形成单一结构。通过在单个光栅周期内叠加多个矩形光栅轮廓，所提出的配置使得不同波长的光在光栅内的能量耦合行为更加一致，从而提高了RGB衍射效率的均匀性和偏振稳定性。通过严格的耦合波分析（RCWA）与粒子群优化（PSO）算法对光栅参数进行了系统优化。通过对宽角度范围内的衍射效率分析、近场电磁场分析、偏振响应表征和制造容忍度评估，全面评估了所提出光栅的性能。结果表明，所提出的复合矩形光栅为在单层衍射波导显示器中实现偏振独立、RGB均匀衍射提供了一种有效且可制造的解决方案。
复合矩形表面浮雕光栅的设计与优化
传统的单层表面浮雕光栅具有固定的周期和蚀刻深度，可以在指定的衍射阶数下实现高衍射效率；然而，其有限的光谱带宽和角度响应限制了其在全彩色波导显示器中的应用。在给定的视场范围内，RGB波长的衍射效率差异显著，导致波导成像中的颜色分布不均匀[18]。为了解决这个问题，提出了复合...
近场和偏振分析
为了进一步研究复合矩形光栅在可见RGB波长范围内的衍射特性，对光栅结构进行了近场电磁分析。如图5和图6所示，计算了不同波长和入射角下TE和TM偏振条件下的+1阶衍射的场强分布。
从图5和图6可以清楚地观察到，在TE和TM偏振条件下...
讨论
表2总结了所提出的复合矩形表面浮雕光栅的性能指标以及最近报道的代表性衍射结构。比较表明，所提出的设计解决了现有耦合器中关键光学指标之间的常见权衡。所提出的光栅在单层结构中保持了均匀的RGB衍射，均匀性误差为4.3%，并实现了偏振独立操作。此外，所提出的...
结论
本文提出了一种适用于衍射波导显示器中均匀RGB传输的复合矩形表面浮雕光栅方案。通过RCWA方法和PSO算法对光栅结构进行了优化和性能分析。仿真结果表明，在可见波长范围内，RGB波长的衍射效率比在20°的水平视场范围内接近于1。在正常入射条件下...
CRediT作者贡献声明
齐东波：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。侯启超：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、研究、数据管理。陈明阳：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金获取。宋强：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件开发、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
资助方及相应的资助编号如下：湖南省科技创新计划（奖励编号：2025JK2009）。
