超強激光科學卓越創(chuàng)新簡報

(第四百八十九期)

2024年3月18日

上海光機所在脈沖壓縮光柵雙光束靜態(tài)干涉場全息曝光光學元件指標體系和曝光光場均勻性控制工藝研究中取得新進展

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部在脈沖壓縮光柵雙光束靜態(tài)干涉場全息曝光系統(tǒng)光學元件的指標體系和曝光光場均勻性控制工藝研究中取得新進展。研究首次建立了反射曝光光場均勻性的定量評價體系，并在小口徑反射曝光系統(tǒng)中成功實現(xiàn)了應用驗證。相關研究成果以“Specifications and control of spatial frequency errors of components in two-beam laser static holographic exposure for pulse compression grating fabrication”為題發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering上。

超高強度、超短脈沖激光的出現(xiàn)和迅猛發(fā)展，為人類提供了前所未有的極端物理條件與全新實驗手段，成為國際激光科技的最新前沿與競爭重點領域。脈沖壓縮光柵是超強超短激光裝置中的核心元件，光柵的口徑?jīng)Q定了激光的輸出功率上限。國內(nèi)外發(fā)展的細光束掃描曝光、靜態(tài)干涉場透射曝光、曝光拼接以及機械刻劃等方法，都不具備雙向米量級光柵的制備能力。

上海光機所提出了利用大口徑離軸反射曝光系統(tǒng)制作米級脈沖壓縮光柵的創(chuàng)新方案。該方案的核心是利用高精度的離軸拋物面反射鏡形成兩束平行光大范圍構造均勻的曝光光場，而光場均勻性主要由離軸拋物面鏡的表面誤差決定，尤其是中高頻誤差。由于缺乏制造誤差對光場均勻性的定量評價體系和相關的全頻段誤差一致收斂高精度加工工藝，目前仍沒有成功的先例。

團隊基于自由光場衍射理論建立了反射曝光離軸拋物面鏡表面頻段誤差與曝光光場均勻性的映射模型，確立了鏡面面形頻段誤差定量指標體系，進而提出了曝光鏡全頻段誤差一致收斂的創(chuàng)新加工工藝技術。依據(jù)模型確定的指標評價體系，要求曝光鏡中高頻誤差需分別優(yōu)于0.65 nm和 0.5 nm。因此，采用上述加工技術，制作了Φ300 mm的離軸反射曝光系統(tǒng)。其中，曝光鏡的中高頻誤差RMS分別被抑制至0.586 nm及0.462 nm，且周期性誤差以及規(guī)則條紋誤差被完全消除。最終，利用該曝光系統(tǒng)成功制作了一塊尺寸為200mm×150mm的多層介質(zhì)膜（MLD）衍射光柵，-1級的平均衍射效率達到98.1%，衍射波前PV優(yōu)于0.3波長。

這一研究為制造大口徑衍射光柵提供了全新的途徑，為后續(xù)研制百拍瓦級高功率激光裝置所需的米級脈沖壓縮光柵奠定了技術基礎。

相關工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金青年基金、上海市科委青年科技英才揚帆計劃、上海市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金等基金的支持。

原文鏈接

圖1Φ300mm離軸拋物面鏡曝光系統(tǒng)全頻段誤差結果：(a) 使用4英寸Zygo干涉儀測量離軸鏡的低頻面形誤差。(b) 根據(jù)模型濾波后得到的中頻誤差和光場分布的圖片；(c) 利用Zygo白光輪廓儀采用20倍鏡頭測量得到的高頻誤差以及顯微鏡測量的光柵掩模照片。(d) 1維功率譜密度曲線。

圖2 200mm×150mm MLD光柵的衍射波前和效率分布：(a) -1級衍射波前。(b) 0級衍射波前。(c) +1級衍射波前。(d) 在1740 l/mm處的MLD光柵的衍射效率圖，在1053 nm下有效孔徑內(nèi)衍射效率均勻(Ave = 98.1%，σ =0.3%，Max = 98.6%)。(e) 采用反射曝光方法制作MLD光柵實物圖。