6第六章：實(shí)現(xiàn)諧波分離的色分離光柵

ICF驅(qū)動(dòng)器激光束聚焦特性的研究四川大學(xué)博士學(xué)位論文PAGEPAGE94第六章實(shí)現(xiàn)諧波分離的色分離光柵從八十年代中期以來(lái)，衍射光學(xué)(DiffractiveOptics)在元件的設(shè)計(jì)理論、加工工藝方面獲得長(zhǎng)足發(fā)展，衍射光學(xué)元件（DiffractiveOpticalElement）展現(xiàn)出傳統(tǒng)光學(xué)元件不可比擬的優(yōu)點(diǎn)W.B.Veldkamp,J.R.Leger,andG.J.Swanson,“Overviewofmicroopticspast,presentandfuture”,Proc.SPIE,Vol.1544,1991,郭履容、郭永康，“微光學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望”W.B.Veldkamp,J.R.Leger,andG.J.Swanson,“Overviewofmicroopticspast,presentandfuture”,Proc.SPIE,Vol.1544,1991郭履容、郭永康，“微光學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望”，光子學(xué)報(bào)，Vol.23,43,1994陳巖松，“二元光學(xué)―９０年代的光學(xué)技術(shù)”，物理,Vol.21,No.4,p197,1992J.R.Leger,M.R.Moharam,T.K.Gaylord,Diffractiveoptics:anintroductiontothefeatureissue,Appl.Opt.,Vol.34,No.14,p2399,1995THBett,RMStevenson,“Diffractiveopticsdevelopmentforapplicationonhighpowersolidstatelasers”,SPIE,Vol.2633,129~140,1997中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所強(qiáng)激光技術(shù)室，“二元光學(xué)技術(shù)在ICF驅(qū)動(dòng)器的基本考慮”，1996年從第二章分析可知，在光路中盡可能減少光學(xué)元件數(shù)目可有助于抑制非線性效應(yīng)對(duì)光束質(zhì)量的影響，這對(duì)提高光束質(zhì)量有現(xiàn)實(shí)意義。充分利用衍射光學(xué)元件的優(yōu)點(diǎn)，可取代原復(fù)雜的光學(xué)元件以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化光路排布的目的。本章首先結(jié)合通過(guò)對(duì)衍射光學(xué)元件特點(diǎn)的分析，對(duì)目前看來(lái)有可能在ICF系統(tǒng)中實(shí)用化的衍射光學(xué)元件進(jìn)行介紹。重點(diǎn)研究了其中的一種衍射光學(xué)元件－色分離光柵（ColorSeparationGrating，CSG）實(shí)現(xiàn)分光的原理，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。并對(duì)CSG對(duì)制作中的深度誤差、對(duì)準(zhǔn)誤差的寬容度進(jìn)行了分析?；诘谒恼陆⒌牟ㄇ盎兡Ｐ停菊聦?duì)色分離光柵對(duì)光束波前畸變的寬容度進(jìn)行了研究，通過(guò)模擬計(jì)算，給出了CSG的衍射效率、分波效果與畸變波前的一些規(guī)律，為這種衍射光學(xué)元件在ICF系統(tǒng)中的應(yīng)用給出了理論上的指導(dǎo)。§6.1衍射光學(xué)元件在ICF驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用§6.1.1衍射光學(xué)元件概述衍射光學(xué)是基于光的衍射原理，隨著計(jì)算全息術(shù)、相息圖以及微電子技術(shù)工藝的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)新興光學(xué)分支，是光學(xué)與微電子交叉形成的有著廣泛應(yīng)用前景的前沿學(xué)科金國(guó)藩，《二元光學(xué)》，國(guó)防工業(yè)出版社，1999金國(guó)藩，《二元光學(xué)》，國(guó)防工業(yè)出版社，1999*衍射光學(xué)元件是一種純位相型光學(xué)元件，故其有極高的衍射效率;*利用計(jì)算機(jī)可靈活設(shè)計(jì)不同的位相函數(shù)產(chǎn)生不同波面以滿足不同需要，如實(shí)現(xiàn)波前校正、整形、分束等;*衍射光學(xué)元件能實(shí)現(xiàn)多種功能及多功能集成，同一浮雕結(jié)構(gòu)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)諸如分束、分光、聚焦等功能。能大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元件難以實(shí)現(xiàn)的功能;*衍射光學(xué)元件厚度小，因此強(qiáng)激光經(jīng)過(guò)衍射光學(xué)元件時(shí)產(chǎn)生的非線性位相延遲??；*可以大量復(fù)制；目前衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)理論發(fā)展十分成熟?？偟膩?lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)理論可歸結(jié)為位相恢復(fù)問題，圍繞這一問題，發(fā)展了許多衍射光學(xué)元件的迭代算法，如G-S算法GerchbergandW.O.Saxton,Optik,Vol.35,2,p237,1972、楊-顧算法楊國(guó)楨等，“衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法”，物理，Vol.33,1984、模擬退火法GerchbergandW.O.Saxton,Optik,Vol.35,2,p237,1972楊國(guó)楨等，“衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法”，物理，Vol.33,1984HearnG.K,Generalizedsimulatedannealingoptimizationusedinconjunctionwithdampedleastsquarestechniques,Proc.SPIE,Vol.766,p283,N.Yoshikama,M.ItohandI.Yatagai,Quantizedphaseoptimizationoftwo-dimensionalFourierKinoformsbyageneticalgorithm,Opt.Lett,Vol.20,No.7,752~754,1995DoronSturlesiandDonaldC.Oshea,thesearchforaglobalminimuminopticaldesign,Proc.SPIEVol.1168,p92.DOE的制作是通過(guò)微電子加工工藝的光刻技術(shù)，將設(shè)計(jì)的掩模圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再將光刻膠上的圖案轉(zhuǎn)移到基片上，并經(jīng)一次套刻或多次套刻，最終在基片上形成微小浮雕結(jié)構(gòu)。其中每次光刻過(guò)程包括甩膠、對(duì)位曝光、顯影、刻蝕、去膠的等工藝過(guò)程，其中關(guān)鍵有曝光技術(shù)和刻蝕技術(shù)杜春雷,<<DOE的原理性能及其在傳感器中的應(yīng)用研究>>,四川大學(xué)博士學(xué)位論文,1997年。ICF驅(qū)動(dòng)器中光學(xué)元件具有大口徑的特點(diǎn)，如NIF中光學(xué)元件口徑達(dá)到40cm40cm，原型裝置TIL元件的通光口徑也達(dá)26cm26cm。目前常用的干法刻蝕設(shè)備無(wú)法滿足這一要求，而且采用干法刻蝕技術(shù)會(huì)在DOE表面浮雕結(jié)構(gòu)引入高頻噪聲，濕法蝕刻設(shè)備簡(jiǎn)單，由于濕法蝕刻是各向同性的，故有嚴(yán)重的鉆蝕效應(yīng)，不能滿足圖形微細(xì)化的要求顧振軍，孫猛，《抗蝕劑及微細(xì)加工技術(shù)》，第二章，上海交通大學(xué)出版社，1989。無(wú)法制作縱寬比較大的DOE。為實(shí)現(xiàn)DOE在ICF系統(tǒng)中的應(yīng)用，大口徑DOE的加工工藝的突破是一關(guān)鍵。在這方面，美國(guó)和法國(guó)處在領(lǐng)先位置，為實(shí)現(xiàn)LMJ終端光學(xué)系統(tǒng)兩塊光柵的制作，法國(guó)在1998年建成制作口徑為450mm杜春雷,<<DOE的原理性能及其在傳感器中的應(yīng)用研究>>,四川大學(xué)博士學(xué)位論文,1997年顧振軍，孫猛，《抗蝕劑及微細(xì)加工技術(shù)》，第二章，上海交通大學(xué)出版社，1989J.A.Britten,S.M.Herman,L.J.Summersetal,“Manufacture,OpticalPerformanceandLasreDamageCharacterisiticsofDiffractiveOpticsfortheNationIgnitionFacility”,UCRL-JC-131517,LawrenceLivermoreNationalLaboratory,Livermore,1998§6.1.2終端聚焦光學(xué)系統(tǒng)中的三種衍射光學(xué)元件從目前的研究來(lái)看，衍射光學(xué)元件在ICF系統(tǒng)中的應(yīng)用主要集中在終端光學(xué)系統(tǒng)中（見圖6-1）。主要實(shí)現(xiàn)以下三種功能：圖6-1ICF驅(qū)動(dòng)器終端光學(xué)系統(tǒng)中的衍射光學(xué)元件*光束能量采樣THBett,ARBarnes,ICSmith,“Diffractivebeamsamplersforlargeaperturebeamdiagnostics”,SPIE,Vol.349THBett,ARBarnes,ICSmith,“Diffractivebeamsamplersforlargeaperturebeamdiagnostics”,SPIE,Vol.349為了實(shí)現(xiàn)每次打靶時(shí)對(duì)能量的測(cè)量，在光束經(jīng)過(guò)終端聚焦透鏡后的一適當(dāng)位置插入一能量采樣光柵，該光柵能夠在不改變?cè)馐鴤鞑サ姆较虻臈l件下，以一極低的衍射效率（約0.2%左右，可通過(guò)對(duì)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)衍射效率的控制）和相對(duì)于原光束傳播方向偏轉(zhuǎn)一定角度（約15o左右，可根據(jù)光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選擇）從主光束中取出部分能量，并將這部分能量聚焦到能量卡計(jì)的探測(cè)面上，從而實(shí)現(xiàn)能量的測(cè)量。采樣光柵是一種變周期光柵，其周期在2m之間變化，臺(tái)階的深度約20nm左右。通過(guò)調(diào)整光柵周期和臺(tái)階深度，可獲得不同衍射效率、分離角度以及采樣長(zhǎng)度的采樣光柵。采用全息制作方法，我們實(shí)際制作了這種元件，并在模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)光路圖見圖6-2，采樣光斑和原主光束圖樣見圖6-3。采樣光柵取樣長(zhǎng)度為900mm，取樣角9.6o，口徑70mm，照明波長(zhǎng)632.8nm。*諧波分離S.N.DixitT.Parham,etal.,“LARGE-APERTURECOLOR-SEPARATIONGRATINGSFORDIVERTINGUNCONVERTEDLIGHTAWAYFROMTHENATIONALIGNITIONFACILITYTARGET”,UCRL-LR-105821-98-1,LawrenceLivermoreNationalLaboratory,Livermore,1998經(jīng)放大后的基頻光(1.06m)，進(jìn)入終端光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，首先通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以獲得打靶所需的紫外輸出(0.351m)。由于倍頻效率不可能完全做到100%，因此，在輸出的三倍頻光中，混雜有殘余的基頻光和二倍頻光(0.53m)，在紫外光進(jìn)洞之前，必須將這些無(wú)用的光波與紫外光分開。通過(guò)在原光路中放置一色分離光柵，該光柵能保證紫外光波通過(guò)后保持原來(lái)的傳播方向不變，理論上100%能量仍集中在零級(jí)位置上，而基頻光和二倍頻光經(jīng)過(guò)光柵后，大部分能量將被衍射到高級(jí)次上，在零級(jí)位置上的衍射效率理論上小于0.6%。這種色分離光柵為三臺(tái)階結(jié)構(gòu)，其臺(tái)階深度固定，可通過(guò)調(diào)整光柵周期獲得所需要的分離角度。圖6-2實(shí)驗(yàn)光路圖6-3記錄的采樣光斑和原光束圖樣*束勻滑為獲得平頂、陡邊的理想聚焦光斑光強(qiáng)分布，解決輻照均勻性的問題，人們一直長(zhǎng)期致力于研究如何實(shí)現(xiàn)光束均勻化的方法。80年代Kato等提出采用隨即位相板(RandomPhasePlate)擾亂入射光場(chǎng)位相分布以提高遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑均勻性的技術(shù)方案Y.Kato,K.Mima,N.Miganagaetc.,“RandomPhasingofHigh-PowerLasrsforUniformTargetAccelerationandPlasma-InstabilitySuppression“,Phys.Rev.Lett,Vol.53,No.11,1057,1984。1992年，RPP在美國(guó)Nova裝置上獲得成功的應(yīng)用S.N.Disit,I.M.Thomas,etal.,“RandomphaseplatesforbeamsmoothingontheNovalaser”,App.Opt.,Vol.32,No.14,2543~2554,1993。之后在1994年N.Dixit和J.K.Lawson提出采用KPP(KinoformPhasePlate)S.N.Dixit,J.K.Lawson,etc,“Kinoformphaseplatesforfocalplaneirradianceprofilecontrol”,Opt.Lett.,Vol.19,No.6,417~419,1994以及R.M.Stevenson和Y.Kato,K.Mima,N.Miganagaetc.,“RandomPhasingofHigh-PowerLasrsforUniformTargetAccelerationandPlasma-InstabilitySuppression“,Phys.Rev.Lett,Vol.53,No.11,1057,1984S.N.Disit,I.M.Thomas,etal.,“RandomphaseplatesforbeamsmoothingontheNovalaser”,App.Opt.,Vol.32,No.14,2543~2554,1993S.N.Dixit,J.K.Lawson,etc,“Kinoformphaseplatesforfocalplaneirradianceprofilecontrol”,Opt.Lett.,Vol.19,No.6,417~419,1994T.H.Bett,C.N.Danson,P.Jinks,D.A.Pepleretc.,Binaryphasezone-platearraysforlaser-beamSpatial-intensitydistributionconversion,Appl.Opt.,Vol.34,No.20p4025,1995目前，在ICF系統(tǒng)中采用KPP(KinoformPhasePlate)實(shí)現(xiàn)光束束勻滑是一項(xiàng)人們普遍認(rèn)同的技術(shù)。KPP較之RPP，其能量利用率高。利用衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)的理論方法，可靈活設(shè)計(jì)出獲得不同焦斑形態(tài)的KPP衍射結(jié)構(gòu)。1997年，美國(guó)LLNL科學(xué)工作者設(shè)計(jì)了聚焦光斑為12階超高斯分布的KPP,并采用濕法和干法相結(jié)合的刻蝕方法，加工獲得具有16臺(tái)階衍射結(jié)構(gòu)的KPPM.C.Rushford,S.N.Doxit,I.M.Thomasetal.,“LargeApertureKinoformPhasePlatesinFusedSilicaforSpatialBeamSmoothingonNovaandtheBeamletLasers”,UCRL-JC-124511,LawrenceLivermoreNationalLaboratory,Livermore,1997；并在Nova裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得95%的衍射效率，與理論值符合的很好。M.C.Rushford,S.N.Doxit,I.M.Thomasetal.,“LargeApertureKinoformPhasePlatesinFusedSilicaforSpatialBeamSmoothingonNovaandtheBeamletLasers”,UCRL-JC-124511,LawrenceLivermoreNationalLaboratory,Livermore,1997同年，美國(guó)LLNL提出采用連續(xù)浮雕衍射光學(xué)元件(continuouscontourphaseplate，CPP)取代KPPJ.D.KilkennyB.A.HammelJ.D.KilkennyB.A.HammelH.T.PowellL.J.AthertonJ.A.PaisnerJ.D.Lindl,“ICFFY1997PROGRAMOVERVIEW”,LawrenceLivermoreNationalLaboratory,Livermore,1997之外，在ICF系統(tǒng)中，衍射光學(xué)元件可能的其它應(yīng)用包括，利用衍射光學(xué)元件制作B積分補(bǔ)償器JoshuaE.Rothenberg,JeromeM.Auerbach,Shamasundar,etal.“FocalspotconditioningforindirectdriveontheNIF”,SupplementtoProceedingsofSPIE,Vol.349265~77，靜態(tài)畸變波前校正板W.Williams,“simulationsofaphasecorrectorplatefortheJoshuaE.Rothenberg,JeromeM.Auerbach,Shamasundar,etal.“FocalspotconditioningforindirectdriveontheNIF”,SupplementtoProceedingsofSPIE,Vol.349265~77W.Williams,“simulationsofaphasecorrectorplateforthenationalignitionfacility”,UCRL-JC-130033,LawrenceLivermoreNationalLaboratory,Livermore,1998§6.2色分離光柵原理和實(shí)驗(yàn)研究§6.2.1CSG諧波分離的實(shí)現(xiàn)原理粟敬欽、杜驚雷、姚軍等，“實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變驅(qū)動(dòng)器諧波分離的二元光學(xué)元件研究”，光學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.20,No.3,405~409,2000就ICF系統(tǒng)而言，所需分離的光波只有三種：1.06um，0.53um和0.35um，且它們之間存在倍數(shù)關(guān)系。按ICF實(shí)驗(yàn)要求，諧波分離的理想情況是：諧波通過(guò)分離器后，基頻光和二倍頻光分別衍射到正負(fù)一級(jí)。三倍頻光仍在零級(jí)。根據(jù)上述要求，諧波分離器相對(duì)于三倍頻光應(yīng)為一無(wú)臺(tái)階的位相片。將該片看成是許多等同單元的組成，以每三個(gè)單元為一周期，在一周期內(nèi)的三個(gè)單元上分別疊加、和0的位相深度，這樣在基片上形成三臺(tái)階結(jié)構(gòu)如圖6--4所示。采用這種結(jié)構(gòu)的位相光柵可滿足上述分光的要求。具體分析見下述。由上可知，諧波分離器一個(gè)周期內(nèi)三個(gè)臺(tái)階對(duì)三倍頻光位相延遲分別是(6-1)設(shè)諧波分離器的折射率為，假設(shè)對(duì)于三種諧波，為一定值，由公式(6-2)和三種諧波的波長(zhǎng)關(guān)系式(6-3)可求得諧波分離器各部分對(duì)二倍頻光的位相延遲分別是(6-4)對(duì)基頻光的位相延遲分別是(6-5)由(6-1)至(6-5)式可見，對(duì)于基頻光和二倍頻光，諧波分離器分別相當(dāng)于圖6-5(a)和圖6-5(b)所示的閃耀光柵。計(jì)算表明，基頻光和二倍頻光透過(guò)該光柵后，分別有近70%的能量被閃耀到正一級(jí)和負(fù)一級(jí)上，其余能量被閃耀到更高的衍射級(jí)次上。而對(duì)于三倍頻光而言，其相當(dāng)于通過(guò)一片無(wú)任何浮雕結(jié)構(gòu)的基片(見圖6-5(c))，繼續(xù)沿光軸方向傳播。(a)(b)(c)4π2π(a)(b)(c)4π2π0圖6-4諧波分離器在一周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)圖圖6-5諧波諧波分離器的結(jié)構(gòu)原理示意圖(a)(b)(c)圖6-6三種諧波遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布(a)基頻光(b)二倍頻光(c)三倍頻光§6.2.2CSG性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于ICF系統(tǒng)而言，我們最終關(guān)注的是有多少紫外光能量有效的注入靶腔中，同時(shí)必須知道在經(jīng)過(guò)諧波分離后，還有多少剩余的非轉(zhuǎn)換光仍然存在零級(jí)的紫外光中。特定義如下兩個(gè)指標(biāo)用于衡量CSG的工作性能。*衍射效率定義為：輸出零級(jí)紫外光能量與輸入紫外光總能量之比(6-6)I3為零級(jí)紫外光能量，Itotal為輸入紫外光總能量。*色分離度定義為：輸出零級(jí)處基頻光和二倍頻光與各自輸入總能量之比（i=1，2）(6-7)Ii為輸出零級(jí)處基頻光和二倍頻光能量，Itotal為輸入基頻光和二倍頻光總能量。從定義可知，i越小，表明混入紫外光中的基頻光和二倍頻光越少，諧波分離器的分波效果，即輸出三倍頻光的干凈度愈好。越大，CSG的衍射效率越高，零極處可利用的紫外光越多?！?.2.3CSG制作和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)色分離光柵的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：制作材料：熔石英；元件尺寸：直徑85mm；刻線區(qū)：50mm×50mm；厚度：6mm；臺(tái)階寬度：25m；光柵周期：75m。我們選用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制作CSG。圖6-7為用ALPHASTEP-500型臺(tái)階輪廓儀測(cè)得的CSG浮雕輪廓圖。由圖可見，臺(tái)階的陡面有較小傾斜，沒有明顯的對(duì)位誤差?？涛g表面沒有保持良好的平整度，刻蝕總深度為1.298m，與設(shè)計(jì)值1.54m相比有0.24m的偏差。我們采用7520分光光度計(jì)測(cè)量了所制作的樣片對(duì)三種諧波的透過(guò)率，結(jié)果見表6-1。1.30軟邊光闌.21.30軟邊光闌.2.濾光片(QB26,ZWB2,HWB3)3.石英劈板(劈角20)4.100石英透鏡(f=1000mm)5.透鏡6.能量卡計(jì)1(HEM-1a)7.能量卡計(jì)2(HEM-4a)8.光束截止器9.待測(cè)CSG圖6-8CSG性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)CSG的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖6-8所示的衍射效率測(cè)量系統(tǒng)，并在中國(guó)工程物理研究院的高功率激光裝置XG-II上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。如圖6-8所示，從頻率轉(zhuǎn)換器出射的口徑為66mm三種頻率成分的光波經(jīng)一口徑為30mm的軟邊光闌限束后，入射到一石英劈板上,透射光用一光束截止器吸收，從劈板前表面反射的光束選作測(cè)量光束，其依次通過(guò)一石英透鏡和待測(cè)CSG樣片，能量卡計(jì)1置于不同位置測(cè)量CSG各衍射級(jí)的能量。從劈板后表面反射的光束作為參考光束，用于系統(tǒng)標(biāo)定?？紤]到能量卡計(jì)2測(cè)量口徑有限，在參考光束中引入一透鏡將其縮束，使光束能充分為能量卡計(jì)2接收。由于每次測(cè)量都是針對(duì)單一波長(zhǎng)進(jìn)行，因此在進(jìn)行不同波長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)，在軟邊光闌后需要加入不同的濾光片進(jìn)行濾光。*零級(jí)效率的測(cè)量零級(jí)效率的測(cè)量主要包括兩步，即系統(tǒng)定標(biāo)和測(cè)量。定標(biāo)過(guò)程如下：(1)取下CSG，加上相應(yīng)波長(zhǎng)的濾光片，利用準(zhǔn)直光調(diào)整能量卡計(jì)1和能量卡計(jì)2位置，使其能充分接收光能量；(2)記錄每發(fā)能量卡計(jì)1和能量卡計(jì)2的讀數(shù)；一共三發(fā)；(3)計(jì)算系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)。零級(jí)效率的測(cè)量過(guò)程如下：(1)置入CSG，在能量卡計(jì)1前加上適當(dāng)?shù)墓怅@，僅讓零級(jí)能量進(jìn)入卡計(jì)；(2)記錄每發(fā)能量卡計(jì)1和能量卡計(jì)2的讀數(shù)；一共三發(fā)；(3)根據(jù)讀數(shù)以及系統(tǒng)標(biāo)定的系數(shù)計(jì)算各波長(zhǎng)的零級(jí)效率。在測(cè)量另一種波長(zhǎng)的零級(jí)效率時(shí)，重復(fù)上述定標(biāo)和測(cè)量?jī)刹健?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6-1到表6-3。表6-1CSG透過(guò)率測(cè)量數(shù)據(jù)（7520分光光度計(jì)，2000/9/6，單位%）波長(zhǎng)(m)12345678910平均值1.05492.091.892.191.990.392.291.790.993.291.991.80.52791.891.392.191.291.990.388.491.591.693.091.30.35178.778.280.580.980.178.278.478.978.076.878.9表6-2測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)波長(zhǎng)(m)編號(hào)時(shí)間V1(mv)V2(mv)E1(mJ)E2(mJ)平均值1.05400090101612:430.8660.63959.7060.861.0191.01700090101713:400.8440.62258.1859.231.01800090101814:400.7630.56052.6053.331.0140.35100090202912:500.2410.36516.6134.762.0932.15800090303614:501.0001.58068.93150.452.18300090303715:500.8181.30256.391242.199說(shuō)明：V1:卡計(jì)1讀數(shù)；V2:卡計(jì)2讀數(shù)；E1:卡計(jì)1能量；E2:卡計(jì)2能量；:系統(tǒng)定標(biāo)系數(shù)。E1=V1*68.9394(mJ)；E2=V2/10.5*1000(mJ)；=E2/E1。表6-3零級(jí)衍射效率測(cè)量和計(jì)算數(shù)據(jù)波長(zhǎng)(m)編號(hào)V1(mv)V2(mv)E1(mJ)E2(mJ)(%)平均值(%)1.0540009010240.8520.01558.731.432.392.820009010250.4790.01133.021.0483.120009010261.0130.02269.832.0952.950.3510009040520.5270.35536.3333.8043.1142.580009040530.4350.28829.9927.4342.380009040540.5120.33835.3032.1942.26說(shuō)明：V1:卡計(jì)1讀數(shù)；V2:卡計(jì)2讀數(shù)；E1:卡計(jì)1能量；E2:卡計(jì)2能量；:衍射效率。E1=V1*68.9394(mJ)；E2=V2/10.5*1000(mJ)；=E2/(E1*)圖6-91遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖圖6-103遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖圖6-111、2和3遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖三種諧波經(jīng)過(guò)CSG聚焦后在遠(yuǎn)場(chǎng)的分布圖樣見圖6-9至圖6-11。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，三倍頻光零級(jí)的衍射效率為42.58%，與理論值相差較大，其中主要原因主要有*CSG臺(tái)階刻蝕深度不夠，從CSG浮雕結(jié)構(gòu)測(cè)量結(jié)果來(lái)看，測(cè)量值與設(shè)計(jì)值有0.24m的誤差，相對(duì)誤差達(dá)15%。從三種諧波的衍射效率隨臺(tái)階深度誤差變化曲線來(lái)看（圖6-12）。當(dāng)刻蝕深度誤差達(dá)到40nm時(shí)，三倍頻光的衍射效率將小于88%?？梢娍涛g深度是影響CSG分光性能的主要因素。*基片材料對(duì)三倍頻光的透過(guò)率偏低，從我們采用7520型分光光度計(jì)對(duì)CSG的透過(guò)率的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，三倍頻光的透過(guò)率僅為78.9%。這也是造成CSG衍射效率下降的另一原因。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到基頻光的干凈度為2.82%，要比理論值偏低，其中的原因尚未明朗，有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究?！?.3色分離光柵對(duì)制作誤差的寬容度從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，制作誤差對(duì)CSG的性能有著致關(guān)重要的影響。CSG制作誤差的寬容度將是決定其能否在ICF系統(tǒng)中具有實(shí)用性的關(guān)鍵。CSG的制作誤差可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩大類。系統(tǒng)誤差主要指深度誤差和對(duì)位誤差，隨機(jī)誤差主要指元件臺(tái)階表面粗糙度。深度誤差是由于刻蝕過(guò)程中系統(tǒng)工作參數(shù)控制不準(zhǔn)確而產(chǎn)生的；對(duì)位誤差是在套刻中引入的。本節(jié)在傅立葉光學(xué)的基礎(chǔ)上，根據(jù)CSG制作的實(shí)際情況通過(guò)解析分析和計(jì)算機(jī)模擬，分析CSG制作誤差對(duì)其性能影響的系統(tǒng)規(guī)律?！?.3.1CSG制作誤差的解析分析對(duì)一周期為T的N階純位相衍射光學(xué)元件，在一個(gè)周期內(nèi)，其復(fù)振幅透過(guò)率函數(shù)可表示為： (6-7)式中rect為矩形函數(shù)，εm為每個(gè)臺(tái)階的中心位置坐標(biāo)，δm為每個(gè)臺(tái)階的寬度，фm為每個(gè)臺(tái)階引起的光波位相延遲。當(dāng)一列平面波垂直入射到該元件時(shí)，第k級(jí)的衍射效率為： (6-8)將(6-7)式帶入，并假定周期T=1，根據(jù)傅立葉變換化簡(jiǎn)可得： (6-9)式中sinc(kδm)=sin(πkδm)/(πkδm)。根據(jù)(6-9)式，結(jié)合CSG的結(jié)構(gòu)，得到CSG第k級(jí)的衍射效率表達(dá)式為(6-10)式中，λ0=351nm為3光波長(zhǎng)，λ為入射光波長(zhǎng)，n為光波在介質(zhì)中的折射率，фm為3光的位相延遲，它與臺(tái)階深度hm的關(guān)系為： (6-11)根據(jù)(6-10)式可看出，臺(tái)階寬度δm和臺(tái)階位置εm引起的位相延遲фm（即臺(tái)階深度hm）的變化，會(huì)引起各級(jí)次衍射效率的變化，從而影響CSG的分波效果?！?.3.2CSG對(duì)深度誤差的寬容度 一般的衍射光學(xué)元件主要針對(duì)單一的波長(zhǎng)設(shè)計(jì)，其深度誤差對(duì)衍射效率的影響較小。然而CSG是針對(duì)三種不同波長(zhǎng)的光波進(jìn)行設(shè)計(jì)，由統(tǒng)一的三臺(tái)階浮雕結(jié)構(gòu)調(diào)制三種諧波，臺(tái)階深度誤差將引起三諧波位相調(diào)制偏差從而改變?nèi)C波經(jīng)分離器后的光場(chǎng)分布，這將直接導(dǎo)致CSG衍射效率和分波效果的下降。 從現(xiàn)有的衍射光學(xué)元件制作工藝來(lái)看，CSG的制作一般包括兩步蝕刻過(guò)程，其中第一步刻蝕深度誤差會(huì)引起第一個(gè)臺(tái)階的深度偏差，第二步刻蝕深度誤差會(huì)引起第一、第二兩臺(tái)階的深度偏差。根據(jù)(6-4)式，經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算可得到深度誤差對(duì)衍效的影響如圖6-12、圖6-13所示。根據(jù)圖中所示曲線可列出表6-4(保證1和2光零級(jí)衍射效率<2%)，該表給出不同衍射效率效情況下，所允許的蝕刻深度誤差數(shù)據(jù)。2光1光圖6-12深度誤差對(duì)3光零級(jí)衍效的影響圖6-2光1光表6-4不同衍射效率效情況下，所允許的蝕刻深度誤差3衍射效率99%98%97%95%93%92%90%深度誤差(nm)-15~15-20~20-25~25-33~33-37~37-40~40-48~48當(dāng)每一步的刻蝕深度誤差控制在30nm以內(nèi)時(shí)，可滿足ICF系統(tǒng)對(duì)諧波分離的高要求。此外，刻蝕深度誤差偏深或偏淺對(duì)3光衍效的影響是對(duì)稱的；而對(duì)1和2光衍效的影響是不對(duì)稱的，深度誤差偏深時(shí)的影響小于偏淺時(shí)的影響?！?.3.3CSG對(duì)對(duì)位誤差的寬容度一般認(rèn)為，橫向誤差是影響衍射光學(xué)元件性能的主要因素，縱向誤差的影響相對(duì)較小。然而就CSG而言，其特征尺寸較大，CSG的縱寬比小，（例如我們?cè)O(shè)計(jì)的CSG周期為75m，刻蝕深度為1.54m）且只需套刻一次，故對(duì)位誤差相對(duì)值較小。對(duì)位誤差改變了CSG的周期結(jié)構(gòu)，對(duì)位誤差會(huì)引起臺(tái)階位置和寬度的改變。但對(duì)3光而言，CSG仍相當(dāng)于一平位相板，因此不會(huì)影響其衍射效率；對(duì)1ω和2ω光，一般認(rèn)為當(dāng)對(duì)位誤差控制在小于2m時(shí)，1光和2光在零級(jí)的衍射效率均小于2%。§6.3.4臺(tái)階表面粗糙度對(duì)CSG性能的影響利用反應(yīng)離子刻蝕方法制作二元光學(xué)元件，若等離子體源的質(zhì)量不好，會(huì)造成臺(tái)階表面的不平整D.W.Ricks,“Scatteringfromdiffractiveopti