衍射光栅的拼接方法

　　近年来,随着啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification简称CPA)技术[1,2,3,4]的发展,更高强度的超短脉冲[5,6,7]已经成为研究光和物质相互作用以及惯性约束核聚变等领域的有效手段.用来进行脉冲压缩的衍射光栅是CPA系统的核心元件之一,该系统要求光栅具有高衍射效率、高损伤阈值和大尺寸,这是普通光栅远远不能满足的,目前性能最好的是多层介质膜光栅(MLD)[8,9].

　　CPA系统为了产生拍瓦级(1015W)功率输出,需要宽度达到米级的大尺寸高效衍射光栅.但是,大尺寸多层介质膜光栅的制造非常困难,迄今为止,只有美国的LLNL实验室有能力制造米级的光栅(此面积是目前我国所能刻制的最大光栅面积的7倍多),但是其造价昂贵,生产周期很长.有人认为用大光栅刻划机就会很容易刻划出大光栅,但是7倍于最大刻划尺寸的大光栅的刻划机目前尚未研制出,与此同时还要解决大面积镀膜均匀性的问题,由于刀具损坏还需实现高精度的自动换刀等问题,因此不可能用机械刻划的方法制作出适合要求的脉冲压缩光栅.为此,人们提出了用光栅拼接的方法[10,11]制作大口径的多层介质膜光栅,即由多块光栅拼接成一块大光栅,这就为获得米级多层介质膜光栅提供了新的思路.

　　1　光栅拼接中的偏差参量和要求

　　拼接光栅中的偏差(如图1所示)包括平移偏差:shift (dx)、piston(dz),旋转偏差:tip(绕x轴的角度偏差dθx)、tilt(绕y轴的角度偏差dθy)、twist(绕z轴的角度偏差dθz)和刻线宽度偏差Δd.由于沿光栅刻线方向的平移dy不会影响光栅的位相分布,因此不作讨论.

　　想的光栅拼接对于任意波长、入射角和衍射级都不会引入相位差,它完全可以代替单一的大尺寸光栅.理想的拼接应满足三方面的要求:光栅表面必须共面(dz=0,dθx=0,dθy=0);光栅刻槽必须彼此平行(dθz=0);横向平移偏差dx必须是光栅周期的整数倍(dz=nd,d是光栅周期).

　　2　光栅的拼接方法

　　基于光栅拼接的六种偏差,按照消除方法的不同,可将拼接法分为以下几种.

　　2·1　补偿拼接法

　　对单色光和特定的入射角的拼接光栅,存在三种类型的相位差[12]:相对X轴和Z轴的偏差dx、dz称位移相位差;相对X轴和Z轴的旋转偏差dθx、dθz产生竖直倾斜相位差;相对Y轴的旋转偏差dθy和刻线周期偏差Δd产生水平倾斜相位差.光栅拼接的六个偏差相互联系,这将大大降低拼接光栅的复杂性,因为一个偏差带来的相位差将在其它方面被补偿[12],下面以位移相位差为例说明(如图2所示).

　　对两块参数相同且无旋转偏差的光栅G1和G2,当入射角为α,衍射角为β时,1,2两束光之间存在的光程差(OPD)为: