束勻滑衍射光學(xué)器件的設(shè)計(jì)方法和制作工藝.pdf

1、本論文圍繞國(guó)家重大項(xiàng)目，結(jié)合高功率激光器裝置需求，對(duì)衍射光學(xué)元件的理論設(shè)計(jì)、加工工藝、測(cè)試應(yīng)用等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，其主要研究?jī)?nèi)容及獲得的成果如下： 一、基于平面靶設(shè)計(jì)精細(xì)化采樣的插值迭代算法用傳統(tǒng)的輸入—輸出算法(I—O：Input—OutputAlgorithm)進(jìn)行束勻滑器件的迭代設(shè)計(jì)時(shí)，算法僅對(duì)輸出面上采樣點(diǎn)的光強(qiáng)進(jìn)行了強(qiáng)制反饋，在設(shè)計(jì)結(jié)束后，在輸出面采樣點(diǎn)上能夠獲得比較好的束勻滑效果。如果將輸出采樣加密，在原采樣點(diǎn)集

2、之外的抽樣信號(hào)，其光強(qiáng)值會(huì)有較大的起伏。在數(shù)值計(jì)算上，利用信號(hào)采樣的內(nèi)插定理，可以由原采樣點(diǎn)計(jì)算得到這些非采樣點(diǎn)的抽樣信號(hào)，基于這一原理提出的插值迭代設(shè)計(jì)方法在迭代的過程中加入了插值點(diǎn)的反饋，在輸出平面上做波陣面的恢復(fù)時(shí)，其振幅、位相分布能獲得更好的反饋影響，就使得輸出面上采樣點(diǎn)的光強(qiáng)分布在迭代過程中能夠獲得更好的均勻性。利用這種方法不但可以提高設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)價(jià)，而且能比較穩(wěn)定的提供一個(gè)較好的初始位相解，為進(jìn)行下一步的模擬退火優(yōu)化奠定了較

3、好的基礎(chǔ)。 二、提高衍射光學(xué)元件的真實(shí)衍射效率在之前的束勻滑器件設(shè)計(jì)中，通常采用的是較少的子單元數(shù)量，主光斑占整個(gè)計(jì)算窗口的面積比例是比較大的，且計(jì)算窗口的面積比較小。在隨后的離線測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，輸出光場(chǎng)有比較明顯的高級(jí)次衍射斑，主斑的能量利用率較低。分析其原因，很可能是由于迭代計(jì)算控制的旁瓣區(qū)域過小，使得高級(jí)次斑與主斑的距離比較小，其衍射能量就變得比較高，造成了主斑能量利用率有明顯的下降。隨后擴(kuò)大計(jì)算點(diǎn)陣的子單元數(shù)量重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，

4、在數(shù)值模擬結(jié)果中觀察到高級(jí)次衍射斑與主斑的距離增大，且強(qiáng)度有較明顯的下降，主斑的能量利用率的損失很小。相較而言，這種設(shè)計(jì)思路對(duì)于保障束勻滑器件的真實(shí)衍射效率是有幫助的。 三、離子束刻蝕工藝的誤差分析模型在70mm口徑的多臺(tái)階位相分布DOE測(cè)試中，觀察到目標(biāo)光斑的中心出現(xiàn)了一個(gè)較明顯的毛刺亮點(diǎn)，在束勻滑中，這個(gè)中心亮點(diǎn)的產(chǎn)生對(duì)于目標(biāo)光斑的整體均勻性是一個(gè)很嚴(yán)重的破壞。利用臺(tái)階儀對(duì)刻蝕后的DOE樣片進(jìn)行表面掃描采樣后，通過數(shù)據(jù)擬合的

5、方式，提出了刻蝕誤差的表面分布模型；在經(jīng)過數(shù)值分析計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，由于刻蝕誤差分布具有了類球面的形態(tài)，就使得最終的束勻滑結(jié)果在光斑中心出現(xiàn)了亮點(diǎn)。在與隨機(jī)誤差分布的比較中發(fā)現(xiàn)，在同樣的方差下，具有規(guī)則分布的誤差形態(tài)會(huì)對(duì)于束勻滑產(chǎn)生更明顯的影響。通過對(duì)刻蝕誤差的系統(tǒng)分析，進(jìn)行了離子束工藝的經(jīng)驗(yàn)累積，這為后續(xù)的大口徑束勻滑器件的工藝制作提供了較好的技術(shù)支持。 四、固定刻蝕系統(tǒng)誤差下的工藝優(yōu)化方法在后續(xù)研究中，將刻蝕誤差分成了兩個(gè)主要部分

6、：由刻蝕環(huán)境的隨機(jī)擾動(dòng)形成的正態(tài)隨機(jī)誤差及離子源強(qiáng)度在徑向分布的不均勻產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。從之前的研究得知，隨機(jī)分布的誤差形式對(duì)于束勻滑器件并不會(huì)產(chǎn)生太大影響。對(duì)于刻蝕系統(tǒng)誤差，借助于誤差分析中誤差偏度系數(shù)的概念，提出了一個(gè)G參量來描述系統(tǒng)誤差的整體分布情況。在數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的離子源徑向強(qiáng)度分布，隨著刻蝕時(shí)間的變化，當(dāng)G參量變化到零附近時(shí)，束勻滑效果會(huì)向較好的趨勢(shì)發(fā)生變化。由此提出了一個(gè)針對(duì)離子源強(qiáng)度分布進(jìn)行的一個(gè)工藝優(yōu)化方法，對(duì)