用于惯性约束聚变系统中的色分离光栅近场衍射研究

　　1　引　言

　　激光核聚变中,采用短波长激光打靶,可以有效抑制超热电子产生,大幅度提高靶对激光的吸收效率和X光的转换效率[1]。在惯性约束聚变(ICF)系统中,钕玻璃固体激光器产生的1·053μm的基频光经过频率转换器实际得到的光束中包含有基频1·053μm,二倍频0·527μm,三倍频0·351μm三种波长的激光。而采用三倍频光打靶,必须在进入靶室之前将基频和二倍频滤除,否则会造成黑洞靶腔入射孔的严重堵口。目前实现谐波分离的技术很多,其中色分离光栅(CSG)技术因其具有衍射效率高、色散性好、结构简单等优点而受到广泛的关注[2~10]。

　　本文根据色分离光栅制作过程可能带来的各种误差建立色分离光栅制作误差模型,然后在其模型上采用标量衍射理论分析各种误差对光强近场调制的影响。

　　2　色分离光栅结构及分光原理

　　理想的色分离光栅结构及分光原理如图1,2所示。其三个台阶深度相等,宽度相同,且边沿陡峭。然而受现有加工技术的限制,实际制作的色分离光栅结构与理论设计总存在一定的误差,从而造成色分离光栅谐波分离性能的下降[5]。

　　在强激光系统中,由于光学材料均有一定的抗损伤阈值,为确保系统可靠运行,必须避免光学元件的激光诱导损伤。而损伤与光强有关,场强越大,损伤的可能性也越大[6]。色分离光栅的台阶结构会对通过它的光束产生调制,而存在加工制作误差的色分离光栅对光束的近场调制更大,造成局部光强很大,可能破坏其自身甚至整个光学系统。

　　3　理论分析

　　3.1　色分离光栅误差模型

　　色分离光栅为三台阶结构,其制作分两步,需套刻一次,设计两种掩模版,制作流程如图3所示。第一步,先制作掩模版,入射光通过第一块掩模板对基片上的光刻胶曝光,再显影、去胶,然后再将光刻胶上的图形刻蚀到基片上;第二步,在第一步刻蚀得到的基片上采用第二块掩模版重复以上过程,最后得到色分离光栅[7]。

　　在色分离光栅加工制作的各个过程中,都可能引入一定的误差,如图4所示。图4(a),(b)是刻蚀过程中带来的深度误差、塌边误差,图4(c)是套刻对准时掩模左移和右移带来的对位误差,而掩模版本身制作误差将引起占空比误差,如图4(d)所示。

　　综合以上各种误差,提出了一种色分离光栅结构的加工误差模型,一个周期的结构如图5所示。其中d为光栅周期,h1,h2为两个台阶深度,δ为对位偏移宽度,θ为塌边误差引起的侧壁角,σk(k =1,…,8)为各分区宽度。所以可以通过参数h1和h2来讨论深度误差,而δ和θ分别反映了宽度误差和塌边误差,可见该模型包含了上述四种主要加工误差,它更加符合实际制作的色分离光栅结构,通过该结构模型可以更容易地讨论和分析色分离光栅各种制作误差对色分离光栅性能的单独作用以及它们的相互影响。