4-21  用于ICF的光栅特性

杨春林  周礼书  许  乔  杨李茗

针对透射光栅的减反射技术、ICF系统使用的多用途光栅的性质以及部分相干光在光栅中传输的特性等方面进行了详细的分析和模拟计算，较为系统的研究了用于ICF的光栅特性。

针对透射光栅的表面反射不利因素，将光栅的工作角度设置到布儒斯特角附近，利用光束成布儒斯特角入射具有的特殊性质可以达到减反射的目的。计算结果显示，对长周期的透射光栅，将其设置到布儒斯特角附近工作能降低光栅的反射率，特别是总反射率可以明显降低。ICF系统中的色分离光栅可以考虑试用这种方案减反射；对周期在波长附近的短周期光栅也能实现减反射，并能保证更高的一级衍射效率，但布儒斯特角的设置使得TM入射波的一级衍射效率的极值出现在光栅刻槽深度为10l的地方，相对TE波，其深度周期被大大推迟，在实际应用中应综合考虑。

多用途光栅即是用一块光栅可实现色分离、光束取样、聚焦等多项功能，研究这种光学元件可为新型衍射光学元件的设计提供借鉴。用在ICF驱动器终端的多用途光栅其焦距f =5~10 m，相应光栅条纹的曲率半径也比较大，可以近似或局部近似为直条纹，并且，在一定范围内条纹间距也可认为是近似相等的。这样可以利用成熟的光栅理论来分析它的衍射特性，如耦合波理论，从而确定满足光栅的高衍射效率条件。

多用途光栅完成了多个传统光学元件组合起来才能完成的功能，具有简化系统结构，减小系统重量的明显效果。在TE波或者TM波入射的情况下光栅都可以满足使用要求，但相应的光栅结构应有所不同，用于TM波的光栅槽深较大，可根据实际情况选用。

非理想激光通过大口径光栅衍射后，其衍射光波前会相对劣化，这是由于光栅的色散作用和光传输的光程差导致的。在一般光学系统中，能造成光束偏转的光学元件都是等光程的，而光栅造成的光束偏转是不等光程的。除去零极衍射光外，其他各级衍射光都利用了光传播的周期性原理形成衍射极。这样，随着光栅微结构周期性的延伸，光程差就积累起来。在传统光栅的应用情况下，由于光栅尺寸小，附加光程差很小，入射激光的相干性又比较好，对激光传播的性质并没有什么影响，但在大尺寸的光束和光栅以及部分相干光入射的情况下，使用非零级衍射光就有可能对光传播产生较大影响。

在ICF系统中光栅产生的附加光程差会造成显著的效应。这时，光栅可能造成光束质量下降，对脉冲光束，还会造成时间脉冲变形。从互相干的角度来分析这个问题，可以更完整的描述光栅对非理想激光的传输影响。分析结果显示当相干时间减小时，峰值功率降低，光强分布变宽，聚焦性能下降。当光栅产生的附加光程差接近激光的相干长度时，光栅的衍射偏折将显著降低光束质量。