多层表面浮雕光栅技术：单波导全彩增强现实显示的突破路径

    增强现实（AR）技术作为新一代人机交互核心技术，已在医疗手术导航、工业设备运维、教育沉浸式教学及元宇宙场景构建等领域展现出重大应用价值。当前，AR技术产业化进程的核心诉求之一是研发轻量化、高分辨率的AR眼镜，而这一目标的实现高度依赖光学系统的性能突破。在AR光学系统中，波导合束器因具备大视场（FOV）、大眼盒及轻薄化形态等优势，被业界公认为实现AR眼镜小型化的理想光学方案；其中，表面浮雕光栅（SRG）作为波导合束器的核心耦合元件，其衍射效率、光谱带宽与角度响应特性，直接决定了AR显示系统的成像质量与全彩色表现能力。

    传统表面浮雕光栅技术的核心瓶颈

    尽管传统表面浮雕光栅（如斜边矩形光栅、梯形光栅）可在特定条件下实现较高衍射效率，但其技术局限已成为制约单波导全彩AR显示发展的关键障碍：

    其一，光谱带宽受限。全彩AR显示需覆盖红（626nm）、绿（529nm）、蓝（465nm）三色光波段，而传统SRG仅能在窄波长范围内保持高效衍射，无法同时满足RGB三色光的耦合需求；

    其二，角度响应范围狭窄。AR眼镜的实用化要求在较大视场内（通常需≥20°×20°）保持稳定成像，传统SRG的衍射效率随入射角度变化显著，易导致视场边缘出现亮度衰减与色彩偏移；

    其三，现有解决方案存在固有缺陷。为突破上述局限，行业曾提出“多层波导方案”，即通过多片波导分别处理RGB三色光，但该方案对波导间的对齐精度要求极高（微米级误差即导致色彩失真），且叠层结构大幅增加了AR眼镜的体积与重量，与“轻量化”设计诉求相悖。近年来兴起的超表面与混合光栅结构虽能一定程度提升性能，却因结构复杂度高、制备工艺难度大，尚未实现从实验室研发向产业化应用的转化。

    多层表面浮雕光栅的技术创新方案

    针对传统SRG技术的瓶颈，美国中佛罗里达大学吴诗聪（ShinTsonWu）教授团队提出了基于多层涂层结构与离散折射率设计的SRG优化方案，其核心创新点在于通过“空间维度折射率梯度构建”与“多结构拓扑优化”，突破传统SRG在带宽与角度响应上的限制，具体技术路径如下：

    1.多结构对比与优化设计

    团队选取五种典型SRG结构开展系统研究，包括基本梯形SRG、1层涂层SRG、2层涂层SRG、2层堆叠SRG及3层堆叠SRG。通过在光栅周期方向（x轴）与光传播方向（z轴）同时引入梯度折射率分布及离散多层结构，扩展了有效折射率调制范围，显著提升了光栅对不同波长与入射角度光的容差能力——即实现了对RGB三色光的高效耦合，同时降低了衍射效率随入射角度的波动。

    2.双算法协同优化策略

    为实现光栅参数的全局最优配置，团队采用“严格耦合波分析（RCWA）+粒子群优化（PSO）”双算法组合：

    基于RCWA算法精准计算光与微纳光栅结构的相互作用，建立衍射效率与光栅参数（周期、填充因子、倾斜角、层高、折射率）的定量关系；

    以RGB三色光在9个典型视场点下的平均衍射效率为目标函数，通过PSO算法对上述参数进行全局寻优，确保光栅在全色波段与宽视场内的综合性能最优。

    多层SRG技术的性能验证与工艺可行性

    1.核心性能指标突破

    通过仿真与实验测试，多层SRG结构的性能优势得到充分验证：

    光谱带宽性能：以3层堆叠SRG为例，在455635nm宽带范围内（覆盖全彩AR所需波段），平均光谱衍射效率达到87.2%，光谱均匀性达74%，较传统单层SRG提升超30%；

    角度响应性能：在20°×20°视场范围内，RGB三色光的平均衍射效率分别为89.2%（红）、91.1%（绿）、79.5%（蓝），角度均匀性均高于84%，有效解决了传统SRG视场边缘亮度衰减问题；

    系统级效率提升：在LightTools仿真环境中构建单波导AR系统模型，以理想光栅为基准对比测试显示，多层SRG结构的系统效率较传统SRG提升约20%，且兼容非偏振光源，更贴合实际AR设备的光源应用场景。

    2.产业化工艺适配性

    技术的产业化价值不仅取决于性能，更依赖工艺可行性。该团队在设计阶段充分考虑量产需求，通过参数优化将多层SRG的关键工艺指标控制在成熟技术可实现范围内：

    光栅倾斜角均低于40°，高宽比（高度与宽度比值）小于2:1，可兼容纳米压印、原子层沉积（ALD）、反应离子蚀刻等主流微纳制造工艺；

    无需引入新型材料或特殊设备，现有半导体与微纳加工产线经小幅调整即可实现规模化生产，显著降低了技术转化成本。

    技术突破的产业价值与未来展望

    多层SRG技术的创新意义，在于其首次实现了“高性能”与“可量产”的协同——既突破了传统SRG在宽带响应与角度均匀性上的技术瓶颈，又通过工艺友好型设计打通了从实验室到产业应用的路径，为单波导全彩AR显示提供了一体化解决方案。

    从产业应用来看，该技术将推动AR眼镜向“轻量化、高画质”方向加速迭代：在医疗领域，可支持医生通过AR眼镜实时叠加患者3D器官模型与生命体征数据，提升手术精准度；在工业领域，工程师可借助轻量化AR设备查看设备内部结构与运维数据，降低复杂设备的检修难度；在教育领域，沉浸式AR课堂将实现更精准的色彩还原与宽视场成像，提升知识传递效率。

    综上，美国中佛罗里达大学团队提出的多层表面浮雕光栅技术，不仅是AR光学元件领域的一次关键技术突破，更为AR显示技术从“小众应用”向“大众消费”转型提供了核心支撑，有望成为下一代全彩AR眼镜产业化的重要技术基石。