用于背光照明的大口径连续相位板设计和制作

连续相位板(CPP)是大型激光装置中用于控制光束形状、能量和波前分布的一种重要衍射光学元件。为改善聚焦光束的质量,建立了基于现有工艺的大口径CPP理论设计模型,优化了传统衍射元件设计算法。采用该算法设计了用于背光照明的Ф330mm CPP,开展了数控化学抛光制作CPP试制,并在大型激光装置上开展了验证实验。结果表明,基于工艺改进算法设计的CPP具有更好的加工特性和焦斑性能,基本实现了整形和匀滑性能,能够较好满足现有工艺约束条件和物理需求。     

用于光束匀滑的连续相位板设计

为了满足大型激光装置中驱动源聚焦光斑的均匀光强分布、高能量利用率和小旁瓣等特殊要求,提出了采用追迹法和改进G-S算法相结合的连续相位板设计方法。进一步采用衍射积分方法模拟了该连续相位板的光学性能,计算得到其产生的焦斑具有类似24阶超高斯分布,其顶部光强均方差σRMS=0.35%、顶部调制度γ=1.33%、能量利用率η=99.79%。结果表明,该方法不仅具有追迹法计算简单、运算量小的优点,而且克服了G-S算法容易陷入局部最优的缺点。采用该方法设计的连续分布,解决了加工难题,从而也提高了相位板的匀滑性能。     

用于激光等离子体诊断系统的长焦深透镜

针对惯性约束聚变(ICF)等离子体诊断系统中对长焦深光学元件的要求,采用非线性相位拟合法设计了一块孔径150 mm,焦距450 mm,焦深5 mm的长焦深球面透镜.为了验证该方法的可行性和正确性,制作了一块与设计等F数(通光孔径为80 mm,焦距为240 mm)的长焦深透镜,并且测量了平行光经过该透镜后的轴上和横向光强分布.理论和实验结果都表明,采用非线性相位拟合法设计的长焦深透镜可以获得长焦深、小焦斑、小旁瓣的聚焦光束,可以满足诊断系统对长焦深元件的要求.     

厚胶光刻中曝光光强对光化学反应速率的影响

针对用于厚层光刻的重氮萘醌类正性光刻胶,利用动力学模型,分析了光化学反应速率的影响因素;给出了光化学反应速率明显受光强变化的影响以致互易律失效的原因。对厚度24μm的光刻胶AZP4620在相同曝光量而光强分别为3.2mW/cm2和0.63mW/cm2的条件下进行了数值模拟和实验。当曝光光强为3.2mW/cm2时仅需300s,即可显影完全,而当曝光光强为0.63mW/cm2时需要的时间长达2400s,才显影完全,且面形轮廓差异较大。因此,在厚胶光刻中,当曝光光强较大时应适当减小曝光量,反之,应适当增加曝光量。     

针对离焦曲面均匀辐照的连续相位板设计

提出一种针对光强接收面为离焦曲面的连续相位板(CPP)的设计方法，该方法改进了传统的Gerchberg-Saxton (GS)迭代算法，不再以焦面作为设计目标，在每一次的迭代过程中都考虑实际离焦的影响，以离焦面作为设计目标；同时为了解决曲面设计问题，提出修正重构离焦面上的目标光强函数的方法。模拟计算表明，新的连续相位板设计方法，相对于以焦面作为设计目标的传统方法，可以很好地控制离焦曲面上的焦斑轮廓，得到很高的能量集中度，可满足惯性约速聚变对束匀滑元件相位连续性、光斑包络及能量集中度的要求，较好地解决了离焦曲面上的束匀滑问题。     

连续位相板磁流变加工中高精度边缘延拓技术

为了提高磁流变加工连续位相板边缘加工质量,实现元件全口径抛光,必须对元件原始误差面形进行边缘延拓,针对现有边缘延拓算法的不足,提出了采用改进的二维Gerchberg带宽受限延拓算法实现连续位相板元件面形频域匹配的边缘延拓。该方法首先采用复调制频谱放大技术Zoom FFT对元件原始误差面形进行频谱分析,计算其高低截止频率;然后采用改进后的二维Gerchberg带宽受限延拓算法进行迭代计算,在原始面形外围延拓出与原始面形同频的高精度延拓结构面形。采用尺寸为100 mm100 mm具有复杂频谱结构的连续位相板元件进行边缘延拓和磁流变加工实验,实验结果表明:采用改进的Gerchberg边缘延拓技术延拓的面形边缘更加规整,边缘效应影响半径由5 mm减小到2 mm,面形残余误差RMS从19.3 nm减小到了9.7 nm。这说明该边缘延拓技术可以明显提高连续位相板面形的边缘加工质量和整体收敛精度。     

烘焙工艺条件对厚胶光刻面形的影响

采用厚层正性光刻胶AZ P4620进行光刻实验,考察了在前烘和坚膜阶段不同的工艺参数条件下的光刻胶浮雕面形的变化.实验表明,完全显影后光刻胶的浮雕面形受前烘工艺参数的影响很小,但其显影速率有一定差别;当坚膜烘焙后,不同前烘条件下的浮雕面形差别较大;当前烘条件相同时,坚膜参数的变化对光刻胶的浮雕面形影响较大.由此得出,在前烘阶段应采取较高温度、较短时间的烘焙,而在坚膜阶段应采取较低温度、较长时间的烘焙,这样可提高厚胶光刻面形的质量.     

误差扩散法编码设计制作微光学元件

以发展微光学元件制作新方法为目标,提出利用误差扩散编码方法设计灰阶编码掩模制作微光学元件。此方法同其他编码方法相比,具有量化效果好、衍射效率高、制作文件小、计算速度快、通用性好等优点。用此方法对制作微透镜的掩模进行了设计,利用预校正法和边缘增强法相结合的方法对掩模进行了优化,并对曝光、显影过程进行了模拟,得到了满意的结果。     

用于惯性约束聚变系统中的色分离光栅近场衍射研究

色分离光栅（CSG）是一种重要的谐波分离衍射光学元件，它的近场衍射调制可能导致其自身及其后续光学元件的激光诱导损伤。根据色分离光栅的实际制作过程建立了包含对位误差、占空比误差、刻蚀深度误差、塌边误差等多种制作误差的色分离光栅加工误差模型。并基于标量衍射理论，采用傅里叶分析方法，利用该模型推导得到了色分离光栅近场内光强分布公式，并针对惯性约束聚变（ICF）驱动器终端光学系统的色分离光栅进行了计算模拟，得出了近场调制随各种加rf：制作误差的变化关系。计算结果表明深度误差和塌边误差对光束近场调制订很大影响，对位误差相对影响较小，而相互影响更加严重。该色分离光栅近场分析和计算模拟方法也可用于其他衍射光学元件。     

平面光学元件中频误差的磁流变加工控制

为了利用磁流变加工实现对大口径平面光学元件波前中频误差的控制,研究了磁流变抛光去除函数的频谱误差校正能力和磁流变加工残余误差抑制方法。首先,比较了模拟加工前后元件中频功率谱密度(PSD1)误差和元件PSD曲线的变化,分析了磁流变去除函数的可修正频谱误差范围。然后,利用均匀去除方法分析了加工深度、加工轨迹间距和去除函数尺寸等磁流变加工参数对中频PSD2误差的影响,提出了抑制中频PSD2误差的方法。最后,对一块400mm×400mm口径平面元件的频谱误差进行了磁流变加工控制实验。实验显示:3次迭代加工后,该元件的波前PV由加工前的0.6λ收敛至0.1λ,中频PSD1误差由5.57nm收敛至1.36nm,PSD2由0.95nm变化至0.88nm。结果表明:通过优化磁流变加工参数并合理选择加工策略,可实现磁流变加工对大口径平面光学元件中频误差的收敛控制。