1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心，北京 100081
为扩大体全息光栅波导的出瞳直径和视场，提出了二维扩瞳和视场扩展的两重体全息光栅波导设计方法。该波导结构的出耦合光栅由两个两重体全息光栅构成，用于实现二维扩瞳。将入射视场分为两条路径传播，每条路径负责一半的视场，最后将两部分视场拼接形成完整视场。该方法不仅扩大了出瞳直径，还有利于增大全息波导系统的视场角。介绍了二维扩瞳视场扩展的光学原理和设计方法，最终实现的系统水平视场为48°，垂直视场为27°，出瞳尺寸为16 mm×13 mm。实验结果验证了所提方法的可行性。该方法在扩瞳的同时有助于扩展视场角，为头戴近眼显示设备提供了具有前景的有效方案。
全息 两重体全息光栅波导 二维扩瞳 视场扩展
1 南昌大学 信息工程学院，南昌 330031
2 福州大学 物理与信息工程学院，福州 350108
3 南昌大学 空间科学与技术研究院，南昌 330031
可见光通信（VLC）由于其传输速度快和保密性强等诸多优势已成为了一种行之有效的水下通信技术。光在水下传播时容易发生散射现象，导致光传播的能量随传输距离的增大而减少，因此改善接收端响应度是实现水下VLC的关键和核心。为此，文章首先针对探测器前端设计了一种新型的全息波导聚光系统，可有效提升水下探测器的信噪比；然后，构建了具有弱光探测能力的低成本硫化锑薄膜探测器。在上述基础上搭建VLC系统，实验结果显示，其接收端探测器的暗电流仅为10-7 A/cm2，3 dB带宽为220 kHz，响应度达0.2 A/W，且在蓝绿光波段的外量子效率超过70%。因此，新型硫化锑薄膜探测器结合全息波导聚光系统可以实现针对可见光的弱光探测，是一种十分有效的水下可见光接收系统。
水下可见光通信 硫化锑 探测器 全息光栅 光波导 underwater VLC Sb2S3 detector holographic grating optical waveguide
1 合肥工业大学特种显示与成像技术安徽省技术创新中心，特种显示技术国家工程实验室，光电技术研究院，安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
体全息光栅作为全息波导显示器的出/入耦合元件，其性能严重影响波导系统的视场。因其角度选择性，当光束偏离布拉格角入射体全息光栅时，其衍射光角度会产生较大的偏移，使得其与出耦合光栅的响应带宽不匹配，限制了波导系统的视场。首先基于Kogelnik理论对波导系统中体全息光栅的带宽匹配进行了分析。为了扩展波导系统的视场，提出了一种复用体全息光栅的设计方法。该设计旨在扩展出耦合光栅的响应带宽并同时收缩入耦合光栅的衍射光角度，使得出/入耦合光栅的带宽相匹配。仿真结果表明：采用本文设计的复用体全息光栅后，波导系统的视场能达到。本文设计的复用体全息光栅制备简单，可以有效拓展波导系统的视场。
体全息光栅 响应带宽 波导 复用 光学学报
2023, 43(22): 2205002
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室，南京 210042
3 中国科学院大学，北京 100049
为实现各类暂现源及暗弱目标的宽波段、高效率光谱后随观测，以1.9 m光学望远镜为例，设计了一种基于Faint Object Spectrograph and Camera型的双通道中低色散光谱仪，可实现三种光谱分辨率（R=500、2 000和5 500），工作波段覆盖紫外-近红外（310~1 000 nm）。根据光栅方程和光谱分辨率等各项指标，确定光谱仪的初始结构参数，针对光谱仪在全波段的高效率需求以及仪器随动的包络限制，确定光学系统采用双通道设计并近似对称分布：准直系统采用了不同于传统Faint Object Spectrograph and Camera型光谱仪的折反射式系统，在提高了系统效率的同时压缩了空间。色散系统根据直视棱栅的不同工艺，通过棱镜材料和角度的调整对工作波段的光栅效率进行优化并得到8种棱栅参数；红蓝通道相机系统在设计过程中优化选取光学材料，同时结合二次非球面和单透镜的主动调焦补偿，实现大动态温度范围（-30 ℃~20 ℃）全视场（φ16°）最大弥散斑半径均方根小于5 的优良像质。该系统结构紧凑、分布对称，设计结果满足各项指标，光谱仪全波段峰值效率优于60%，最低效率优于20%，具有较高的可实现性。基于曲面芯片工艺，以红通道为例，简化的相机系统至少可提高整体光谱效率约4%，可以为未来光谱仪相机系统的设计提供参考。
棱栅 天文光谱仪 中低色散 体位相全息光栅 曲面探测器 紫外 Grism Astronomical spectrograph Medium-Low dispersion Volume phase holographic grating Curved detector Ultraviolet
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
3 上海市在线检测与控制技术重点实验室，上海 201203
4 中国计量测试学会，北京 100029
5 同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092
纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉，同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案，研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法，该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号，通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点，结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号，获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量，实验结果表明，经过线性修正后，其位移误差不超过0.241%。
纳米位移测量 激光自混合 光栅干涉仪 全息光栅 nano-displacement measurement laser self-mixing grating interferometer holographic grating 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220676
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学先进光学设计与制造技术吉林省高校重点实验室，吉林 长春 130022
在头戴显示器中体全息光栅常被用作输入/输出耦合器，其衍射效率的高低将极大影响系统的成像质量。为提高体全息光栅的衍射效率，提出了一种新型耦合光栅结构，该结构由优化后的体全息光栅和闪耀光栅组成。利用严格耦合波分析，对新型耦合光栅结构进行仿真。仿真结果表明，与体全息光栅相比，新型耦合光栅使横电模式光的衍射效率提高了1.5%，横磁模式光的衍射效率提高了9.4%，非偏振光的衍射效率提高了5.3%。此外，相较体全息光栅，新型耦合光栅在不同偏振态（横电模式光、横磁模式光）下，入射角半峰全宽增加了0.2°与0.5°，表明该结构具有更大的视场角。
光栅 体全息光栅 新型耦合光栅 衍射效率 严格耦合波分析 光学学报
2022, 42(14): 1405001
暨南大学理工学院广州市可见光通信重点实验室，广东 广州 510632
为了实现增强现实头戴显示系统全色显示功能，建立了多层全息平板波导显示系统，并对该系统所采用的衍射原理、光栅常数及对应衍射波长等技术参数进行了研究。首先，根据光栅方程及全反射理论，介绍了全息平板波导入耦合光栅常数与传输光波长之间的限制关系。其次，为了实现光瞳扩展，介绍了转折光栅、出耦合光栅与入耦合光栅之间的限制关系。在此基础上，以550 nm绿光为例仿真设计了单层全息平板波导显示结构。然后，以单层全息平板波导为基础，建立了以685 nm、550 nm和437 nm作为三基色的三层全息平板波导显示系统。最后，使用digital light processing投影系统为光源检验了三层全息平板波导加工样品的出光效果。实验结果表明，三层全息平板波导可以实现光瞳扩展和全色显示。多层全息平板波导能够实现增强现实头戴显示系统全色显示。
全息 全息光栅 多层平板波导 全色显示 出瞳扩展 增强现实显示头盔 激光与光电子学进展
2022, 59(12): 1209001
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
基于对全息平板波导显示系统中核心全息光学元件的研究，采用双光束干涉法和相应的后处理工艺，在以石英玻璃为基底、重铬酸盐明胶为记录介质的全息干板上制备了具有折射率调制的反射型体全息光栅，并研究了不同曝光强度、折射率调制度、水洗时间对光栅衍射效率的影响。实验结果表明，经441.6 nm的He-Cd激光光源记录以及复杂的后处理工艺，最终制备的反射型体全息光栅衍射效率最高可达到61.8%，在可见光入射条件下产生了明显的分光效果。制备的全息实验样片在满足全反射的前提下可进行波导传输，为提高头戴式设备和增强现实等显示设备在传输过程中的衍射效率提供了一种新方法。
光栅 微纳光学 反射型体全息光栅 平板波导 衍射效率 干涉 激光与光电子学进展
2022, 59(3): 0305001
