实现ICF束匀滑的二元光学器件设计与制作

    1  理论与设计

    1.1 优化算法及设计结果

    在实现ICF束匀滑的二元光学器件的位相优化设计中,为减小位相的不连续性及大角度散射,仅采用模拟退火中的连续扰动函数进行全局搜索并与爬山法局部优化相结合,通过控制扰动函数的形式及大小,接收及拒绝概率的选择,获得了变化平缓、周期少的易于加工的更好位相几何结构的设计结果[1]。

    优化中,器件位相表示为

其中,Ai、0i为不同空间频率ωi的正弦函数的振幅和初始位相,ρ为输入面的半径。选取不同的ωi、0i,利用爬山法与模拟退火判别法进行Ai的优化。(ρ)的连续性由正弦函数保证。 针对λ=1.053μm,设计了100mm的位相板,其焦斑250μm,其焦斑光强不均匀性、光能利用率≥90%,如图1所示。位相分布因其变化平缓且位相间隔仅为2.5π而有利于连续位相板的加工。

    其中光能利用率及不均匀性定义为

其中,N、I(r)分别为均匀焦斑内的采样点数和平均光强,r为输出面的半径。

   1.2  对输入波面位相畸变的宽容度分析

    因二元光学器件对于振幅畸变的宽容度较对位相的宽容度好[2],在此仅分析位相畸变的影响。位相畸变主要来自激光器自身的位相噪声、光学器件的不均匀性、散射等。将其归属为高斯分布随机信号进行模拟。高斯分布位相畸变可描述为

其中,N[0,a·2π]表示均值为0、方差为a·2π的高斯分布,a为位相畸变大小系数。对多个样本,计算其对顶部不均匀性的影响,如图2所示。

    由图2可知,不均匀性指标从统计意义上,随着噪声增大,均呈上升趋势,并呈跳动状。可以看出二元光学器件对高频的随机位相畸变的宽容度是极其有限的,单纯从设计方法上难以解决,应从总体系统及设计原理上作进一步研究。

   1.3  加工容许度

    连续位相板的加工相对于多台阶位相板的加工,从原理上消除了多次套刻带来的对准误差,摆脱了对高对准精度机构的依赖,去掉了二元光学器件的量化过程,提高了光能利用率。其加工误差主要来自两个方面:加工深度误差及掩膜板与基片的精密对中。在精确对准情形下,加工深度误差的影响通过模拟计算可得,如图3所示。

    掩膜板与基片的精密对中所引入的误差,比较复杂。刻蚀以外圆定位,而所加工的灰阶掩膜板外圆在万工显上测量,其偏心误差约为0.1mm。对中误差可以通过(r0,θ0)来确。此时,加工深度误差对其影响如图4所示。

    由图3、4可见,加工深度误差的影响趋势对于是否存在对中误差是相似的,要保证顶部不均匀性,加工深度相对误差应限制在-0.5%~2.0%内。