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以全息波导头盔显示为代表的新型头盔显示技术,由于其同时利用了全息光学元件的衍射作用以及波导光学元件的全内反射特性,具有体积小、重量轻、衍射效率高等优点,得到了研究人员的广泛关注。其中,反射体全息光栅由于具有衍射效率高、衍射级次少等特点,成为全息波导头盔显示系统中理想的耦合光学元件。本文首先利用严格耦合波分析(RCWA)理论,基于MATLAB软件开发了光栅模拟软件的图形用户接口界面,可方便地进行各种光栅的分析设计。然后基于COMSOL软件,建立了全息波导系统与光栅结构的基于有限元方法(FEM)的仿真模型,通过反射体全息光栅的仿真分析对两种方法进行相互验证,证明了仿真方法的有效性。接着本文通过对体全息光栅和亚波长二元光栅衍射特性的分析,提出了一种体全息光栅和亚波长二元光栅直接耦合的新型耦合光栅结构,并从理论推导和仿真实验两方面证明了新型耦合光栅获得高衍射效率必须满足波矢匹配关系,即体全息光栅在二元光栅方向的波矢分量与二元光栅的波矢相等。同时本文通过仿真实验研究了新型耦合光栅中两光栅的相对位置对衍射效率的影响作用,从而发现新型耦合光栅存在衍射级能量的再分配现象,并获得了耦合效应分析的解析表达式。通过优化几何结构、材料属性等参数,所得单绿色新型耦合光栅相对于优化的普通反射体全息光栅,在TM波和TE波垂直入射时,其主衍射级的衍射效率分别提升了18.5%和4.1%,且杂散光少;同时在偏移布拉格条件入射时,可获得更高的衍射效率,具有更好的视场角。此外,在新型耦合光栅分析的基础上,建立了全息波导系统的仿真模型,分析了单色全息波导系统的衍射特性。研究结果表明,对单绿色全息波导系统而言,出入耦合光栅采用新型耦合光栅,TM波和TE波的衍射效率最高可分别提高33%和8.1%。本文新型耦合光栅衍射特性的分析研究为提高全息波导头盔显示系统的耦合效率提供了一种新的方法,对全息波导头盔显示系统整体成像质量的提高具有重大的意义和价值。