[發明專利]面向LiFi通信的全息光柵光波導平面聚光系統的設計方法

有效

• 申請號: 202111168677.2
• 申請日: 2021-10-08
• 公開（公告）號: CN113589524B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 吳之旭;唐榮欣;夏勇;王玉暤;趙建波;湯文超;鄧輝
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B19/00;G02B6/124
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 王煥巧

1.面向LiFi通信的全息光柵光波導平面聚光系統的設計方法，其特征在于：所述平面聚光系統包括全息光柵、光波導、可見光探測器，全息光柵與可見光探測器集成于光波導上；全息光柵是由兩束構造光束在感光材料薄膜上曝光再通過顯影形成的光柵，其中一束構造光束稱為參考光束，其入射方向垂直于感光材料，另一束構造光束稱為物光束，其入射方向與感光材料的夾角大于光波導的全反射角，入射光線具有光焦度；全息光柵對入射光進行聚光與偏轉；光波導對全息光柵衍射光進行光路折疊；全息光柵衍射光耦合進光波導時，耦合角度大于光波導的全反射角；所述光波導采用平板光波導；

所述設計方法的步驟包括：

S1、依據平面聚光系統要求，選擇全息光柵與可見光探測器之間的不同集成方案；

全息光柵與可見光探測器之間的集成方案包括三類：（1）可見光探測器位于光波導側面，平面全息光柵集成于平板光波導上；（2）平面全息光柵與可見光探測器位于平板光波導的同一平面；（3）環形全息光柵與可見光探測器位于平板光波導的同一平面，且可見光探測器位于環形全息光柵的圓心；

S2、設計全息光柵可見光匯聚偏轉初始系統：根據步驟S1的集成方案中全息光柵的空間位置、聚光面積，并結合可見光探測器的空間位置，計算沒有光波導折疊光線的初始系統；

S3、全息光柵光波導聚光系統設計：依據步驟S2設計的初始系統，在ZEMAX中建立全息光柵光波導模擬模型；

S4、通過光線追跡求解全息光柵出射光線的傳播矢量與光柵周期常數；

S5、計算全息光柵的衍射效率；

S6、錄制全息光柵與測試。

2.根據權利要求1所述的面向LiFi通信的全息光柵光波導平面聚光系統的設計方法，其特征在于：所述光波導采用由玻璃、PMMA材質構成的平板光波導。

3.根據權利要求1所述的面向LiFi通信的全息光柵光波導平面聚光系統的設計方法，其特征在于：所述步驟S2中初始系統的可見光探測器的中心位置坐標為，其中，為可見光探測器放置位置的橫坐標，為光波導的厚度；

全息光柵將準直狀態的入射光匯聚偏轉匯聚到點，其中，為正整數，表示光線在光波導界面上發生全反射的次數；

入射光線經過全息光柵反射匯聚及偏轉后，邊緣與中心的偏轉角度分別為，，，該偏轉角度等于光線入射在光波導界面的入射角，最小的入射角大于光波導的上表面與下表面全發射角，其中，是空氣折射率，是光波導材料折射率。

4.根據權利要求1所述的面向LiFi通信的全息光柵光波導平面聚光系統的設計方法，其特征在于，所述步驟S4全息光柵出射光線的傳播矢量計算公式如下：

式中，是構造光束的入射光與衍射光傳播矢量，是構造光束波長；是重構光束的入射光與衍射光傳播矢量，是重構光束波長； 是垂直于全息光柵干涉條紋的光柵矢量，其大小為，其中是光柵周期常數；

波長為的構造光束和波長為的重構光束需滿足的布拉格條件，根據布拉格匹配條件，推導出光柵在x方向和z方向的光柵周期常數：

，

式中，和是構造光束中參考光束與物光束的角度，是衍射光柵材料的折射率，是兩個構造光束的波長。

5.根據權利要求1所述的面向LiFi通信的全息光柵光波導平面聚光系統的設計方法，其特征在于，所述步驟S5中計算全息光柵的衍射效率的公式為：

式中， 為全息光柵的衍射效率，是全息光柵的折射率調制折射率，是全息光柵的厚度。