4-57  衍射光学平台建设

周礼书  杨春林  杨李茗

本平台建设围绕用于ICF的高衍射效率色散光栅CSG进行了元件的设计、镀膜、阈值判断、制作工艺等方面的研究和探索。搭建了衍射效率测试平台，并针对该系统作了误差定量分析。

 实现谐波分离的器件应具有好的色分离效果、高的衍射效率和抗光损伤阈值。本课题对CSG光栅的设计考虑了光栅表面的菲涅耳反射，对色分离光栅镀膜减反技术进行了详细分析，根据标量理论给出了镀膜光栅的各项技术要求，优化了光栅结构参数，进行了数值模拟计算，得到光栅面反射几乎完全消除，在强激光传输应用中具有明显优势的衍射光栅，镀膜光栅刻槽深度的优化值h=2.84 mm，膜厚L=71.2 nm。使用严格的耦合波理论分析ICF系统的色分离光栅的特性，特别针对平面镀膜减反后的情况进行了详细的讨论，提出一种新的方案，即通过在光栅表面的镀平面膜减反，从而获得优良性质的CSG光栅。模拟计算结果表明，与未镀膜的裸光栅相比，采用新方法设计的镀膜光栅有很好的减反增透效果。

根据CSG光栅的具体使用，讨论了衍射效率的定义，设计了衍射效率测试方法，搭建了测试平台。对现有测试平台的测量误差进行了深入定量的分析。分析该测试系统测量误差主要由3方面组成，替代平板与实际光栅平板的不一致误差，探测器件误差，基片放置误差。最后由误差合成理论得到该衍射效率测试平台的不确定度为2.5%。

结合CSG光栅的制作工艺分别分析了刻蚀深度误差、横向对位误差、光栅槽形对光栅衍射效率的影响。分析得到对于周期为120 mm每次刻蚀深度误差控制在30 nm以内，横向对位误差要控制在小于2 mm的范围内，侧壁截面宽度小于1.6 mm，可基本满足ICF系统对谐波分离的要求。工艺实验使用掩模对准曝光机和反应离子束刻蚀机，分别采用光刻胶和铬作为抗刻蚀掩模进行了工艺实验研究。

用实验方法研究了CSG的抗强激光损伤阈值。主要针对干湿两种刻蚀方法进行了阈值对比实验。同时对CSG在光路中的不同放置形式进行了阈值对比实验，一种光栅面朝前，一种光栅面朝后。从数据分析可以看出，用氢氟酸缓冲溶液刻蚀出的CSG光栅比用反应离子束刻蚀机干法刻蚀出的CSG光栅的抗激光损伤阈值高。但湿法刻蚀不利于光栅槽形的控制，因此要制作高衍射效率的光栅难以满足要求。干法刻蚀有利于光栅槽形的控制，同时可以降低前期处理工艺的难度，但在大面积制作和抗激光损伤方面又比较欠缺。