ZEMAX | 体全息衍射相关的二三事

"OpticStudio中 体全息衍射光栅功能"

关注此话题的用户可能知道从 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生面型或者物体。

1.问：我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。

2.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。

问：与其他类型的 Flat Optics 相比，全息图的主要局限性是什么？

答：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。