电子束直写制作低效取样光栅

　　1　引　言

　　在强激光系统中,激光参数诊断被称为系统总体集成实验的“眼睛”,它为每一个基准实验提供准确的实验数据,为各分系统提供激光参数测量结果,同时也为全面、仔细研究强激光系统的总体性能提供技术保证。系统诊断的主要对象有激光能量、功率、脉冲时间波形、空间分布、波前畸变等。根据不同的要求,需要采用合适的激光取样技术。低效取样光栅(BSG)是适用于整个波长范围的取样元件,它可应用于大口径光束的取样,在基本不影响主光束的前提下,为激光能量、波前畸变的诊断提供取样光束。

　　低效取样光栅可看成一个离轴的二相位的菲涅耳全息波带板[1,2],通过可变周期光栅的聚焦,从主光路中分离出取样光束,其衍射效率由光栅的深度决定。制作取样光栅的一般方法是用全息干涉曝光的办法在光致抗蚀剂上形成所需的光栅图案,再通过离子刻蚀或化学刻蚀的办法将图案传递到熔石英基片上[2,3]。此方法需要大面积、高质量全息平台,且每次制作都需要干涉曝光,操作复杂,重复性差,不适合大批量加工制作。

　　本文采用电子束直写的方法制作取样光栅,用计算机设计离轴的二相位菲涅耳波带板掩模数据,采用现今成熟的电子束直写技术加工掩模,借用集成电路生产工艺制作取样光栅。该方法设计灵活,操作简单,重复性好,适合大批量加工制作。

　　2　低效取样光栅的原理

　　低效取样光栅是一种位相型的变周期光栅,这种光栅结构能使取样光束从主光路中分离出来并聚焦,如图1所示。取样光栅的疏密程度决定了分离的角度,而它的取样效率由光栅深度唯一确定。

　　取样光栅变周期的光栅结构,与离轴菲涅耳波带板结构相同,可以看成由平面波与球面波干涉形成,如图2。

　　假设球面波中心距记录面距离为d,平面波倾斜入射,与z轴成夹角θ,则在记录面上任意一点p(x,y)的干涉光强为

　　其中波矢k= 2π/λ,I0,I1为光强常数。可知干涉图样是中心在(-dsinθ,0)的一系列同心圆环。其m级亮环的半径为

　　其中int(a)表示不小于a的最小整数。由(4)式可知,当d,λ一定时,分离角θ越大,中心环带级次m0越高,环带越密集。也就是说,环带的密集程度决定了光栅的取样分离角。将(1)式的强度分布转化为相位分布,即可得到取样光栅的透过率函数

　　其中φ为调制度参数,它与光栅的深度成正比。根据相位全息图的衍射效率公式,取样光栅的取样效率有如下关系[4]

　　其中J1表示一阶贝塞尔函数。因此,取样光栅的光栅深度决定其取样效率。