Light | 偏振体光栅突破AR波导效率

导读

近日，美国中佛罗里达大学Shin-Tson Wu教授课题组与东南大学张宇宁教授课题组联合在偏振体光栅（PVG）中发现了一种反常偏振转换现象，并利用该现象成功地突破了AR波导显示技术中入耦合理论效率极限问题。该技术解决了传统的入耦合器件漏光的问题，为高效的波导显示提供了重要的技术途径。

该研究成果以“Breaking the in-coupling efficiency limit in waveguide-based AR displays with polarization volume gratings”为题发表于Light：Science & Applications。

研究背景

经过几十年的设备创新以及微显示技术、超紧凑成像光学和高速数字处理器的蓬勃发展，增强现实（AR）已从一个未来的概念发展成为一种切实而普遍的技术。尤其是基于波导的显示技术，使得AR眼鏡既轻便又纤薄。此外，各种耦合器件的快速发展也显著提升了AR显示的光学性能。尽管光波导大大减小了AR显示的外形尺寸，但光波导的低效率，特别是衍射光波导，仍然是一个主要问题。在由电池供电的无线近眼显示时代，这种低光学效率带来了巨大的挑战，最终限制了设备的连续工作时间。

光波导的低效率主要源于四个方面的问题，都与均匀性相关，例如颜色均匀性，视场均匀性和眼盒均匀性。第一个原因是高折射率波导对蓝光的吸收问题。第二个原因是耦合器对响应带宽有限的调制能力导致在出瞳扩展过程中导致的能量损失。第三个原因是耦合器在高衍射效率下带宽有限，为了增加带宽，不得不牺牲衍射效率。第四个原因是光束在入耦合器处的多次相互作用。即使入耦合器是完全反射的镜子或具有100%衍射效率的光栅，也会发生显著的光泄露，以维持良好的眼盒均匀性。

在过去几十年中，入射耦合器的光泄漏问题一直存在。由于这一问题在传统入射耦合器（如表面浮雕光栅、体光栅甚至超表面器件等）中是根本上无法避免的，因此至今尚无有效解决方案能够完全克服这一难题。如图1所示，近期研究表明，第二次相互作用本质上是第一次相互作用的对称过程，这意味着如果衍射效率为100%，第二次相互作用的光几乎都会被耦合出波导或改变传播方向。这主要是因为传统耦合器由各向同性材料制成，导致在相互作用过程中不会发生偏振变化。因此，迫切需要找到一种解决方案，以平衡入耦合效率、视场均匀性和眼盒连续性。

在本文中，作者发现并验证了PVG中的一种反常偏振转换现象。这一现象为突破上述问题中的理论限制提供了直观的方案，实现了在整个视场范围内高效且均匀的入耦合效率，同时保持了连续的眼盒功能。与传统耦合器相比，利用PVG中的偏振转换现象，50度视场的波导AR显示系统的入耦合效率提高了2倍，视场范围的均匀性也提升了2.3倍。此外，通过在耦合器处加入额外的偏振补偿器，几乎所有光都能有效耦合进入波导。

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图1：入射光束与传统入耦合器之间的多重相互作用过程导致的光泄露现象。

偏振体光栅（PVG）

PVG是一种偏振选择性全息光学元件，它记录了两束干涉光束的偏振信息，其中包括右手圆偏振（RCP）和左手圆偏振（LCP）。PVG具有倾斜胆甾型液晶（CLC）结构，其中液晶（LC）指向矢沿螺旋轴旋转。这种CLC结构赋予了PVG具有CLC的偏振选择特性，如图2（a）所示。它衍射与CLC螺旋扭转相同手性的圆偏振状态，同时透过相反的成分。例如，它会衍射LCP光，同时允许RCP光通过。此外，其衍射效率随着CLC的周期数增加而增加，然后逐渐饱和。然而，作者在此发现了一种偏离上述规律的反常现象。如图2（b）所示，当玻璃基板中的入射角接近布拉格平面时，布拉格条件不再成立。因此，PVG的功能转变为波片，而非光栅，改变了入射光的偏振状态。例如，当满足半波条件时，它将右RCP光转换为LCP光。更具体地说，从入射光的方向来看，PVG类似于具有非常长周期的倾斜扭曲型液晶波片。

图2：PVG的偏振特性。（a）PVG的偏振选择特性。（b）PVG的反常偏振转换特性。

PVG作为耦合光栅的波导器件

由于PVG的这两种优越的偏振特性，与所有其他传统的入射耦合器件相比，在波导显示器中使用PVG作为内耦合器件可以显著提高整个视场的耦合效率和均匀性，同时保持良好的眼盒连续性（或均匀性）。具体而言，如图3所示，入射的LCP光在第一次相互作用中被衍射进入波导中，并根据PVG的偏振选择特性保持其偏振状态。在第一次相互作用后，经过全反射（TIR），光的偏振状态由于传播方向的反转变为RCP。在与入射耦合器（PVG）进行第二次相互作用时，光经历偏振转换而不改变传播方向，即如果PVG的厚度满足半波条件，光会转变为LCP。随后，在PVG上边界再次全反射后，光变为RCP，并由于其偏振选择特性而透过PVG。最终，光可以在波导内传播，同时保持其传播方向。因此，入射耦合效率和均匀性显著提高，同时保持了所需的眼盒连续性。

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图3：PVG作为波导显示器入射耦合器的工作原理。

为了验证这一方法，作者利用激光器进行了初步实验。图4显示了不同厚度下PVG衍射响应的实验结果。从图4（a）中可以明显看出，正入射下的一阶衍射效率随着PVG厚度的增加而增加。同时，如图4（b）所示，在大入射角下的第二次相互作用，漏光强度随着PVG厚度的增加而振荡，充分体现了偏振转换现象的存在。此外，作者还用相机捕捉了两个不同厚度PVG的漏光，如图4（c）和4（d）所示。左、右光束分别表示第一次和第二次相互作用时的漏光。可以看到，厚度为2.85µm时漏光较强，而厚度为4.1µm时漏光较弱。

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图4：PVG中反常偏振转换的实验结果。（a）正入射下，一阶衍射效率（R₊₁）随PVG厚度变化的变化情况。（b）在第二次相互作用中，入射RCP光经过额外的全内反射（TIR）相位移后，零阶衍射效率（R₀）随厚度变化的情况。（c）厚度为2.85 µm时，PVG作为入耦合器的光泄漏情况。（d）厚度为4.1 µm时，PVG作为入耦合器的光泄漏情况。

为了进一步论证这一方法，作者设计并模拟了一个具有50度视场的波导显示器，并对光波导系统的入耦合效率进行了具体分析。如图5（a）所示，对于传统的的入耦合器件而言，由于入射光与入耦合器件之间的多次相互作用，导致严重光泄露，理论上边缘场仅有36%的光可以被耦合进波导中。若利用PVG作为入耦合器件，通过优化其厚度实现偏振转换，如图5(b）所示，入耦合效率可以被大幅提升2倍。此外，视场的均匀性也提升了2.3倍。

图5：50度视场波导显示器的入耦合效率分析。（a）传统入耦合器件的理论耦入效率。（b）PVG作为入耦合器件的实际耦入效率。

应用与展望

本文首次发现并阐明了当入射光方向不满足布拉格条件时,PVG固有的反常偏振转换现象。这种新特性有效地突破了耦合效率和眼盒均匀性之间的权衡。

作者分别利用激光光源和硅基液晶光引擎证实了该偏振转换现象的存在，且实验结果与仿真结果相吻合。为了进一步探索这种偏振转换现象的潜力，作者设计并模拟了一个具有50度视场的波导显示器，其耦合效率和均匀性分别比传统耦合器提高了2倍和2.3倍。此外，作者深入探讨了偏振转换现象的广泛适用性，强调其在各种波导显示设计中，特别是全彩显示中的潜力，并讨论了PVG表面粗糙度对偏振转换过程的影响。

总体而言，这一偏振转换现象的发现首次正面展示了PVG作为入耦合器在AR波导显示中的优越性，相比其他耦合器更具优势。这一突破性的发现为革新下一代基于波导的AR显示器提供了巨大的潜力，有望实现更高的效率和卓越的图像均匀性。

论文信息

Ding, Y., Gu, Y., Yang, Q. et al. Breaking the in-coupling efficiency limit in waveguide-based AR displays with polarization volume gratings. Light Sci Appl 13, 185 (2024).

https://doi.‍org/10.1038/s41377-024-01537-8‍

原文始发于微信公众号（中国光学）：Light | 偏振体光栅突破AR波导效率

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