共振区衍射光栅实现菲涅尔衍射场分束与分色的研究

利用Talbot光栅可在菲涅尔衍射场实现高效的红(R)、绿(G)、蓝(B)分色，应用于彩色液晶显示器中，配合滤色片，在现有硬件条件下，可大大提高光能利用率。随着彩色液晶显示系统中分辨率的进一步提高，研究更高分辨率下的菲涅尔衍射场的RGB分色器件，将具有重要的应用价值。研究共振区衍射光栅，建立严格的或唯象的理论模型，从各衍射级次的能量分配和相位匹配出发，深入分析自由空间中光场传输，确定实现菲涅尔衍射场高效分束的条件，优化设计具有较高压缩比()=3)的分束器件；在此基础上，进一步优化设计RGB分色器件；利用共振区衍射光栅的偏振敏感特性，探讨将分色器件与偏振分束器件相结合，进一步提高光能利用率。

对于共振区光栅必须采用矢量衍射理论进行分析，基于模态法讨论了光栅区域的传播模态的分布，计算了入射场与模态场、模态场与各衍射级次之间的能量交换。研究了共振区衍射光栅菲涅耳衍射场的分数准Talbot效应。对周期在λ到4λ范围内的共振区光栅菲涅耳场的分布特性进行分析，其光场分布在垂直于光栅栅条方向与传播方向均表现出明显的周期性。除了准泰伯效应以外，共振区光栅的菲涅耳场分布也存在准分数泰伯效应，通过不同准分数泰伯距离的选择可实现光场分布的多种空域倍频现象。采用电子束直写技术对器件进行加工，利用近场光学显微镜进行实验，获得了菲涅耳场的二倍频现象。设计二台阶和三台阶光栅实现了三倍频。提出了实现菲涅耳场二分束的振幅优化条件。对于光栅周期为1.5λ，占空比为0.5，深度为0.37μm 的矩形光栅，在分束平面为4.2μm处，可实现红光(633nm)的1:2分束比的分束，近场光学显微镜实验测得能量利用率为71.2%，半高宽度为0.31μm。在二分束基础上，引入另一频率的入射光，通过不同频率入射光的相位匹配，可实现入射光菲涅耳场分布的空间分离。优化可得在分色平面4.8μm处，可实现TE模式红光(633nm)与蓝光(488nm)的二分色，红光的效率为99.1%，蓝光的效率为74.2%。在分色平面4.6μm处，可实现TE 模式的红光与TM 模式的蓝光的偏振分束，红光的效率为89.1%，蓝光的效率为89.1%。利用近场光学显微镜进行了TE模式红蓝分色实验，在分色平面处可以观察到明显的分色效果，得到红光的效率为71.2%，蓝光效率为67.3%。利用显微放大系统对衍射光栅的菲涅尔衍射场进行测量，也获得了红蓝二分色效果。在二分色的基础上，随着光栅周期以及台阶数的增加，进一步优化设计实现了共振区衍射光栅的三分色。当光栅周期增大为2.5λ，选择合适的振幅与相位匹配条件，可得到实现红光(633nm)、绿光(532nm)、蓝光(488nm)三分色的光栅器件。对三分色器件进行了加工和初步实验研究。最后，对光栅加工参数，包括光栅周期、占空比、深度等以及入射条件，包括入射光的波长和角度等对分束和分色的影响进行了系统分析。利用LED对不同时间相干性光源对分束性能的影响进行了实验研究。