透射衍射光栅内全反射级次

当前高功率激光装置系统中,国内使用透射式衍射光栅进行光束采样,国外甚至使用光栅聚焦并同时结合谐波分离和采样功能.高功率激光辐照下,除了0级透射打靶光以及目标取样光外,其他级次衍射光的影响也不可忽视,可能造成诸如鬼像聚焦破坏、时间脉宽测量不稳定、近远场测量噪声等问题.尤其是透射衍射光栅内部全反射级次会导致光栅出射一系列规律的衍射花样,造成上述干扰和危害.首先理论上针对透射式光栅(包括取样光栅和聚焦光栅)进行了相应的计算和分析,然后从实验上观察并测量了取样光栅内部全反射级次的现象,并且结合镀减反膜前后的衍射现象进行了讨论,最后分析并给出了如何消除或规避全反射级次和其他冗余级次影响的方法.

用于ICF驱动器的取样光栅的矢量分析与计算

在 ICF的终端光学聚焦系统中 ,采用取样光栅 ( BSG)将透射的三倍频光按一定比例送入能量计中进行能量诊断。采用精确耦合波矢量分析方法分析了衍射效率与光栅周期、刻槽深度、占空比等的关系 。

大尺寸熔石英采样光栅的研究进展

综述了近五年来为神光装置研制大口径熔石英采样光栅所取得的主要进展。提出了大尺寸采样光栅的化学机械抛光技术,将全息光刻-离子束刻蚀的430mm口径采样光栅的采样效率均匀性控制在均方根值低于5%,满足了采样光栅的设计要求。针对采样光栅的阈值特性,利用二次离子质谱技术,定量表征了采样光栅制备过程中引入的污染及其清洗效果,优化、发展了采样光栅的清洗方法。探索了基于氢氟酸和感应耦合等离子体刻蚀的熔石英基底处理技术,结合干湿法处理技术来去除熔石英光栅基底的亚表面损伤。为进一步提升采样光栅抗激光辐射损伤特性,提出将发展大尺寸熔石英采样光栅的氢氟酸处理方法及具有亚波长减反光栅结构的采样光栅的制备方法。

利用严格模式理论分析光栅透镜的衍射特性

光栅透镜因其独特的光学性能而具有广泛的应用.根据光栅透镜的线宽和间距微小渐变的特点,建立了光栅透镜的物理模型,并利用严格模式理论对其衍射特性进行分析.该方法物理概念清晰、公式简洁.对光栅透镜实现谐波分离、聚焦功能时的衍射效率与槽深关系的计算结果表明,其计算速度快、数值计算结果准确可靠.并对加工误差的影响进行了模拟计算,说明了在当前的微细加工的工艺水平条件下,能够制作出满足ICF系统要求的光栅透镜.实验上制作了尺寸为100mm的大面积光栅透镜,其衍射效率的实验测试结果与理论计算结果一致.

高功率激光装置大口径光学元件侧面清洗实验

针对高功率激光装置内部最易产生受激布里渊散射(SBS)效应的大口径取样光栅(BSG)元件,测试了经过化学刻蚀、紫外激光清洗作用处理后,大口径光学元件BSG侧面在355nm激光辐照下的损伤阈值、损伤形态以及产生的石英颗粒气溶胶对环境污染程度的分析。结果表明:经过化学刻蚀,BSG侧面的损伤阈值提高78%,基本与通光面的损伤阈值相当,而经过紫外激光处理后的损伤阈值提升不高,仅为通光面损伤阈值的56%。侧面对比分析了相同激光能量辐照下样片侧面产生的气溶胶污染状况,结果表明紫外激光处理同样可以提高光学元件侧面产生污染物的阈值,且对光学元件性能没有影响。通过微观形貌和对通光口径影响分析表明,紫外激光清洗处理比化学刻蚀具有更好的安全性和适用性。

取样光栅的设计及衍射行为研究

设计了用于惯性约束核聚变系统的取样光栅。利用光全息学的基本原理,设计了记录全息取样光栅掩模的消像差光学系统,并使用光学设计软件ZEMAX分析了它的像差;还利用严格耦合波理论对取样光栅的衍射效率问题进行了深入的研究。研究发现,在占宽比和槽深这两个光栅结构参量中,槽深的变化对衍射效率更敏感。这些都为取样光栅的实际制作提供了有意义的结果。

70mm×70mm光束取样光栅性能测试研究

介绍了一种用于惯性约束聚变研究的光束取样光栅的研制情况,光栅尺寸为70mm?0mm。利用星光II高功率固体激光装置实验平台对光栅的性能参数进行了实验测试,实验结果表明:光栅的三倍频激光取样效率为5.6?光束取样角为13.2。

用耦合波方法研究取样光栅的衍射特性

介绍了利用耦合波理论编写计算光栅衍射特性程序的基本思想和主要步骤。利用编写的程序计算并分析了一种用于激光取样光栅 TE波和 TM波的衍射特性。

取样光栅镀膜减反技术研究

根据惯性约束聚变系统技术要求,提出了镀膜减反方案,以解决现有光栅由于元件表面反射影响零级透过率的问题。使用严格耦合波理论分析了镀sol-gel减反膜的取样光栅特性,详细地分析了仿形膜和平面膜的减反情况和取样效率的变化。结果发现,镀平面膜是一种可行的技术方案,光栅表面反射几乎完全消除,表明可以通过取样光栅镀膜减反来达到提高透射率的目的;裸光栅的深度为12 nm时,平面减反膜厚为60nm,即光学厚度为等效1/4波长:72 nm。此时的透射率为99.8%,取样效率为0.241‰。

采样光栅设计与衍射行为分析

从一维矩形光栅的衍射特性分析开始,将一维矩形光栅结构作一定的改变设计出采样光栅。将设计出的变周期采样光栅作适当的近似处理,然后用严格的耦合波分析方法对它的衍射特性进行了详细分析。

基于光束扫描方法制作取样光栅的实验研究

报道了一种基于光束扫描方法采用普通均匀相位模板和连续的 2 4 4nm倍频氩离子激光器 ,制作波长间隔为 0 .8nm和 1.6nm取样光栅的新技术 ,并对得到的实验结果进行了分析。研制的取样光栅波长间隔均匀 ,具有良好的谱特性。采用的方法操作简单、灵活 ,可方便地制作不同类型的取样光栅。

氧化铈抛光改善光束采样光栅衍射效率均匀性

作为强激光系统的终端组件之一,光束采样光栅是制作在熔石英基底上的浅槽光栅。利用熔石英的传统化学机械抛光技术,修正熔石英光束采样光栅的槽型轮廓,降低局部偏高的衍射效率,以提高光束采样光栅的整体效率均匀性。利用此方法已成功将430mm×430mm的光束采样光栅的衍射效率均方根值(RMS)由30%附近降低到5%以下。实验结果显示,利用传统化学机械抛光技术可以有效提高光束采样光栅衍射效率均匀性,这是一种可行的技术方案。

Zemax软件在取样光栅对设计中的应用

光束取样光栅(BSG)是一种重要的用于光束取样诊断的衍射光学元件。以2块取样光栅代替单块光栅作为初始光学结构,运用Zemax光学设计软件采用分步优化的方法设计了具有消像差功能的光栅对结构,此方法比采用Matlab语言编程计算的方法消像差更快捷、更灵活,同时可以验证程序计算结果的正确性。设计结果显示:再现的会聚光经2块光栅衍射后在像平面上点列图中的均方根半径仅为0.506μm,单块取样光栅的均方根半径则为7.284μm,说明2块光栅能够做到像差互相矫正,其像质明显好于单块取样光栅。另外,设计出的双光栅光学系统,可进行远场光斑质量检测,为激光束性能的在线诊断提供了行之有效的技术支持。

具有消像差和光程补偿功能的新型取样光栅

在惯性约束聚变(ICF)终端光学聚焦系统中,采用取样光栅将透射的高功率三倍频光按约0.5%的效率进行聚焦采样,送入能量计中进行诊断。提出了用取样光栅对结构取代单取样光栅,通过合理选择系统参数,包括两块光栅的距离、光栅倾斜角度等,设计出的消像差取样光栅可同时进行能量诊断、光脉冲响应测量、以及远场光斑质量的检测。计算结果显示:光程差从8.3 cm降低到8.7 mm,像点的均方根半径为0.777μm,达到衍射极限和使用要求。这为ICF系统中激光能量、波前畸变的诊断提供了一种可供选择的新诊断装置。

复用体布拉格光栅的谐波分离以及光束取样特性研究

复用体布拉格光栅具有良好的波矢选择性以及可控的衍射效率。根据Kogelnik耦合波理论,分析复用体布拉格光栅作为谐波分离以及光束取样元件的可行性。结果表明,采用复用两片反射型以及单片透射型体布拉格光栅的结构,使得两片反射型体布拉格光栅对混有三个倍频成分的主光束中的基频、二倍频光束(1053 nm和527 nm)高效率衍射(色分离度分别为0.2%和0.3%),而对三倍频光束(351 nm)高效率透射(接近于100%),以达到谐波分离的目的;而透射型体布拉格光栅对三倍频光束低效率衍射(等于0.98%),且衍射光束的空域时域光强分布与三倍频光束基本一致,以达到光束取样的目的。因此复用体布拉格光栅可同时实现谐波分离以及光束取样的功能,这给传统谐波分离以及光束取样光栅提供了一种备选方案。

用于惯性约束聚变驱动器的色分离光栅-光束采样光栅集成元件的制作

针对惯性约束聚变(ICF)驱动系统特别是其终端光学系统对元件数和元件厚度的限制要求,利用衍射光学元件(DOE)易于集成的优点,提出一种在石英基片的两面分别曝光制作色分离光栅(CSG)和光束采样光栅(BSG)的新方法,仅需一个石英片即可同时实现谐波分离和光束采样的功能.分别采用光学制版和电子束直写的方法制作了色分离光栅和光束采样光栅的掩模,并利用离子束刻蚀的方法加工了色分离光栅-光束采样光栅集成元件.结果表明,此集成元件的三倍频光能量利用率、色分离度以及采样效率等参数均与三倍频光通过色分离光栅、光束采样光栅分离元件时得到的结果相吻合,达到了惯性约束聚变激光驱动器终端光学系统的基本技术指标要求.

谐波分离和光束取样集成光学元件强激光近场调制及损伤特性研究

针对惯性约束聚变(ICF)终端光学系统对元件数量及厚度的限制,利用衍射光学元件(DOE)易于集成的优点,可将终端光学系统中实现不同功能的DOE元件集成于一体,以优化系统的结构和性能.为了对ICF终端光学系统集成光学元件在强激光条件下的正常运行提供分析的依据,采用傅里叶模式理论分别对色分离光栅(CSG)和色分离光栅-光束取样光栅(CSG-BSG)集成光学元件内部的近场调制特性进行了模拟计算.计算发现,将CSG与BSG集成以后其每一层的最大调制度比集成以前小10%—47%,但其激光诱导损伤风险和单个CSG一样仍然较多地存在于光学元件分界面附近.另外,通过对CSG和CSG-BSG集成光学元件出射面后1μm近场区域的光场分布和出射后0.001和0.8μm横截面光场分布情况进行的比较分析得出,集成光学元件在实现谐波分离和光束取样功能的同时,几乎没有改变出射光场分布的情况,能较好满足ICF驱动器的要求.

光栅取样远场监测系统精度分析

光束自动准直系统是高功率激光惯性约束聚变装置的重要子系统,激光远场监测技术是光束自动准直系统的关键技术,基于光栅取样的新型远场临测系统可以利用光栅衍射灵活取样激光远场。对影响光栅取样系统远场监测精度的主要因素进行了分析,结果表明,系统误差为小孔直径的7.49%,包括投影误差和斜成像误差;随机误差小于小孔直径的1%,包括物像关系误差和衍射光耦合误差。

光束取样光栅强激光近场调制及诱导损伤研究

光束取样光栅(BSG)是一种重要的用于光束取样诊断的衍射光学元件.在惯性约束聚变(ICF)终端光学系统中所使用的BSG,强激光产生的近场调制可能导致其自身的激光诱导损伤从而造成元件不能继续正常工作,为了对其在强激光条件下的正常运行提供分析的依据,采用傅里叶模式理论对BSG内部的近场调制特性进行了模拟计算.计算结果表明,BSG基片内部调制度较小,但仍然存在光强分布不均的情况,增加了这些位置产生激光诱导损伤的风险.另外,通过对BSG制作误差分析得出了其近场调制随各种制作误差的变化关系,结果表明BSG刻槽深度误差比占空比误差对光束近场调制的影响更大,但只要刻槽深度误差不超过一定值,其调制度仍然保持在较小的水平,因此BSG仍能较好地在ICF驱动器中工作.

误差扩散法设计用于惯性约束聚变驱动器的色分离光栅-光束采样光栅集成元件

针对多次曝光法制作集成衍射光学元件时存在的加工制作复杂,会引入较大的对位误差等问题,基于计算全息中的误差扩散编码原理及部分相干光成像理论,提出采用误差扩散编码方法来设计用于制作浮雕结构集成元件的编码掩模的新方法。给出了利用误差扩散法设计的色分离光栅-光束采样光栅(CSG-BSG)集成元件编码掩模,模拟计算了经部分相干成像系统后的空间像光强分布,并与理想的集成元件面形进行了比较。结果表明,校正后均方差为7.5%,体积偏差为10.2%。