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。

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22.9°。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。

增强现实抬头显示（AR-HUD）是下一代智能座舱的关键显示系统，能够极大地提升驾驶安全性和体验感。基于体全息光波导的AR-HUD具有光学系统体积小、能量利用率高等优势，是AR-HUD领域关注的重点。然而，传统基于棱镜耦合的双光束曝光方法实现大幅面体全息光波导的制造极具挑战性。从体全息光波导的曝光参数出发，在矢量球中基于光栅简并理论给出了非全反射条件下体全息光波导曝光的参数设计方法，设计并搭建了一套大幅面体全息光波导自动化拼接曝光系统，制作了幅面尺寸为130 mm×270 mm的大幅面体全息光波导，并给出了增强现实显示效果。

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。

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。

介绍了一种基于扩展外腔和主振荡功率放大架构的780 nm片上集成窄线宽半导体激光器的设计方法。在激光器结构设计描述的基础上, 介绍了主振荡功率放大光路设计、隔离器参数设计、尾纤光路设计的方法与仿真结果。基于该设计完成了780 nm片上集成窄线宽半导体激光器的研制, 介绍了参数实现情况, 并对基于零拍法的激光线宽测试方法和测试系统搭建进行了说明。借助于该测试系统, 对所研制激光器的线宽参数进行了测试。测试结果表明, 设计的激光器件可以实现线宽小于50 kHz@20 μs的激光输出, 可应用于原子钟等领域。

高性能体全息光栅是全息波导的重要耦合元件,角带宽小、平均衍射效率不高是制约体全息光栅性能的重要因素。以不对称倾斜记录为出发点,设计并制备了大角带宽高衍射效率的体全息光栅。首先讨论在横电模式光和横磁模式光下体全息光栅的记录参数与其衍射效率的关系,找到平均衍射效率较高的记录参数范围,随后进一步分析在此范围内的记录参数与体全息光栅的角带宽的关系,从而确定获得大角带宽高衍射效率体全息光栅的最佳记录参数。实验结果表明:在参考光入射角度为25°、信号光入射角度为30°时,制备的体全息光栅的角带宽达到±14°,衍射效率为82%。

全息波导耦合元件是增强现实显示系统的关键光学元件,光束垂直入射至全息波导板中通过入耦合元件改变光束传播方向,在波导板中形成波导现象传输至出耦合元件处,通过出耦合元件再次改变传输方向从全息波导板出射至人眼。当入耦合元件与出耦合元件均为透射式或反射式耦合元件时,两次改变光束传播方向的角度值相等。根据全息波导的成像原理,结合k矢量圆理论与全息光学记录原理,设计了全息波导入耦合元件与全息波导出耦合元件的对称型周期结构。利用MATLAB软件模拟了全息波导耦合元件记录时的干涉光强模型,实验结果与所设计的耦合元件周期结构数据吻合;利用COMSOL软件模拟了全息波导耦合元件对光束传输角度的改变过程,实验结果与理论改变光束传播方向的角度值一致。实验证明了两个全息波导耦合元件以互为对称的结构排布在全息波导光学系统中,能够满足全息波导光学系统对光束传播方向的要求。