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Zemax OpticStudio中体全息衍射相关QA问答

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大家可能知道,从 OpticStudio 21.2 版本(专业和旗舰永久或订阅皆可)起,体全息在序列和非序列中都有了对应的原生面型或者物体。
问:可以用任何自定义的形状制作全息图吗?
答:目前,基板的形状支持 Standard (conic sphere) 标准(圆锥、球面),Toroidal (cyinder) 环形(圆柱体),Extended Polynomial (freeform) 扩展多项式(自由曲面),如果需要更多形状的基板,除了向zemax产品团队发送功能请求外,获得它的最快方法是将自己的DLL编为 OpticStudio 的插件。以非序列为例,下图展示了三种类似基板的设置形式:

另一方面,您也可以使用任何用户自定义孔径 (user defined aperture) 。例如,用广可以定义任意妥边形孔径,并将其用作全息表面的孔径形状,从而间按达成任意形状的全息面的目的。
问:假设和限制
答:Kogelnik的耦合波理论与其他理论相比具有优势,可以准确预测体积相位光栅的零阶和一阶效率的响应。然而,当厚度较低或折射率调变 (modulation) 较大时,这种准确性可能会降低。因此,有必要讨论Kogelnik理论的适用范围,供使用者参考。

  • 折射率调变: 与平均折射率相比,折射率调变不能太大。
    换句话说,n1/n << 1,这在大多数实际情况下是正确的。
    一个参考用的经验法则是,对于反射全像,n1/n之比不应大于0.16,对于透射全像,n1/n之比不应大于0.06。
    [2]
  • 厚度: 假设全像是厚的。经验上,我们是确保以下条件来保证耦合波理论仍然适用:



  • 多阶绕射: 这与厚度的限制相同。
    对于厚的全像,输入光线的能量将只转移到直接穿透的0阶波或绕射的+1阶波上。对于薄的全像,其他绕射阶数的效率可能不为零,如-1 -2 +2 -3 +3 ...。这些额外阶数不在耦合波理论的考虑中。
  • 多重光栅 (multiplex): 全像中只能同时存在一组光栅。Kogelnik的方法不允许多于一个光栅重叠在一个区域。
  • 双折射材料: 全像的材料被认为是均向性的。不允许使用双折射材料。
请注意,这些限制可以通过使用不同的算法来消除。如果您的全像需要破除这些条件,请联系Zemax技术支援部门了解更多讯息。

问:与其他类型的 Flat Optics 相比,全息图的主要局限性是什么?
答:与表面浮雕光栅 (SRG) 相比,我猜全息图更受材料选择的限制。虽然SRG也仅限于一些常见的材料,但是,SRG 可以是多层的。您可以组合多种材料,并实现所需的一些特殊
性能。
问:在设置全息图构造光时,如何定义波前发散或收敛?
答:如果两个构造点对应的构造光束都是会聚或发散,则应选择序列模式下的”全息面 1”,或者如果使用其他全息类型的面或对象时,将参数 Holo Type 设置为 1。
如果其中一束构造光是发散,而另一束为会聚,则应选择序列模式下的"全息面2”,或者如果使用其他全息类型的面或对象时,将参数 Holo Type 设置为 2。
一个常见的疑问是,当Holo Type =1时,为什么会聚或发散属于同一面型,或者当 Holo Type =2时,为什么我们不需要确切地指定哪个是发散的,哪个是会緊的。原因是基于建构系统的互易性,如果互换两束光的状态(会聚或发散),实际上构建的全息图跟互换前是一致的。

问:这与计算全息图的过程相同吗?
答:尽管计算全息图 (CGH) 名称中有一个”全息图",但它实际上不是由我们的模型假设的两个光束干涉制造的。但是,对于位相型 CGH 来说,您可以简单地采用位相表面来模拟 CGH,例如 Binary 2 或 Zernike 标准相位面。这两种表面普遍地用于如 CCH 等应用的位相板设计。
问:衍射效率是否考虑了每束衍射光束的功率分布?
答:衍射效率核心仅考虑平面波作为输入和输出。如果您有个具有有限尺寸的光束,具有有限发散角,并且您想在这种情况下准确地模拟行射效率。此时建议建立一个光源模型,该模型具有角空间中对应的发散角和功率分布。利用该光源所计算出的衍射效率就考虑了原始的光束功率分布。
问:偏振入射光的全息图模型会发生什么变化?
答:此模型精确考虑了偏振,也就是电场分量 (Exr, Exi, Eyr, Eyi, Ezr, Ezi)。衍射效率会随着不同的偏振而变化。在衍射角为 90°时,TM偏振的效率为 0,如下图。我们的全息模型可以准确地考虑这一点。

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来源: Ansys 光电大本营
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