基于严格耦合波分析方法和模拟退火优化算法,设计了一种在正入射条件下具有宽入射波长和角度范围的偏振无关高效率多层倾斜光栅。为了提高衍射效率和带宽范围,提出了一种折射率渐变的四层三明治光栅结构。基于这种结构,设计了一种可见光波长范围内偏振无关异常反射光栅器件。数值结果表明,正入射下,该光栅具有130 nm(550~680 nm)的波长带宽,在此范围内-1级衍射效率均高于93%,同时偏振相关损耗均小于0.2 dB。此外,这种光栅结构还具有47°(-2°~45°)的入射角度带宽,以及较大的制造容差范围。因此,本文提出的这种多层斜光栅在虚拟现实和增强现实显示系统、基于超表面的器件,特别是可见光波段的超透镜等方面具有潜在的应用价值。
标题中的“正入射宽光谱宽入射角高效率偏振无关多层倾斜光栅”指的是在光栅光学领域中的一种特殊设计，它能够处理正向入射的光线，并且在广泛的光谱和入射角度范围内保持高效、偏振无关的性能。这种光栅由多层倾斜结构组成，其设计利用了严格耦合波分析（ Rigorous Coupled-Wave Analysis，RCWA）方法和模拟退火优化算法。
严格耦合波分析是一种计算光学方法，用于精确地模拟和预测光在周期性结构中的传播行为，如光栅。在本研究中，这种方法被用来计算和优化光栅的性能，确保在宽光谱和大角度范围内有良好的衍射效率。
模拟退火算法是一种全局优化方法，来源于固体物理学中的退火过程，用于在复杂问题中寻找最优解。在设计多层倾斜光栅时，该算法用于调整光栅各层的参数，以达到最大衍射效率和最小偏振相关损耗的目标。
光栅的倾斜设计是关键，因为它允许光以不同的角度入射时仍能有效地被衍射。传统的光栅通常对入射角度和光的偏振状态敏感，而此研究中提出的光栅则通过特殊的折射率渐变四层三明治结构实现了偏振无关性。这种结构意味着无论光的偏振状态如何，光栅都能提供一致的性能，这对于许多光学应用来说是非常重要的。
四层三明治光栅结构由折射率逐渐变化的材料构成，这有助于更均匀地分布光的能量，从而提高衍射效率和拓宽工作带宽。在可见光波段，这种光栅展示了130纳米（550~680纳米）的波长带宽，这意味着在这一范围内，第一级衍射效率超过93%，并且偏振相关损耗小于0.2分贝。这样的高性能使得该光栅特别适用于需要宽光谱响应和低偏振依赖性的应用。
光栅的入射角度带宽为47度（-2度到45度），意味着光栅能够在较大的角度范围内保持其性能，这增加了设计的灵活性，同时对制造公差有较大的容忍度，简化了实际生产过程。
鉴于这些特性，这种多层倾斜光栅在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）显示系统中具有潜在的应用，可以改善显示设备的视角和色彩一致性。此外，它在超表面器件中也具有重要价值，尤其是可见光波段的超透镜，这种透镜可以实现超薄、高分辨率的成像，有望应用于下一代光学成像和传感技术。
这篇论文介绍了一种创新的光栅设计，它克服了传统光栅在宽光谱、大角度和偏振相关性能上的限制，为光学工程和科学研究提供了新的解决方案。通过结合先进的理论分析工具和优化算法，设计出的多层倾斜光栅在多种光学应用中展现出广泛的应用潜力。
