束匀滑衍射光学器件的设计方法和制作工艺

论文摘要

本论文围绕国家重大项目,结合高功率激光器装置需求,对衍射光学元件的理论设计、加工工艺、测试应用等方面进行了系统的论述,其主要研究内容及获得的成果如下:一、基于平面靶设计精细化采样的插值迭代算法用传统的输入-输出算法（I-O:Input-Output Algorithm）进行束匀滑器件的迭代设计时,算法仅对输出面上采样点的光强进行了强制反馈,在设计结束后,在输出面采样点上能够获得比较好的束匀滑效果。如果将输出采样加密,在原采样点集之外的抽样信号,其光强值会有较大的起伏。在数值计算上,利用信号采样的内插定理,可以由原采样点计算得到这些非采样点的抽样信号,基于这一原理提出的插值迭代设计方法在迭代的过程中加入了插值点的反馈,在输出平面上做波阵面的恢复时,其振幅、位相分布能获得更好的反馈影响,就使得输出面上采样点的光强分布在迭代过程中能够获得更好的均匀性。利用这种方法不但可以提高设计结果的评价,而且能比较稳定的提供一个较好的初始位相解,为进行下一步的模拟退火优化奠定了较好的基础。二、提高衍射光学元件的真实衍射效率在之前的束匀滑器件设计中,通常采用的是较少的子单元数量,主光斑占整个计算窗口的面积比例是比较大的,且计算窗口的面积比较小。在随后的离线测试中发现,输出光场有比较明显的高级次衍射斑,主斑的能量利用率较低。分析其原因,很可能是由于迭代计算控制的旁瓣区域过小,使得高级次斑与主斑的距离比较小,其衍射能量就变得比较高,造成了主斑能量利用率有明显的下降。随后扩大计算点阵的子单元数量重新进行设计,在数值模拟结果中观察到高级次衍射斑与主斑的距离增大,且强度有较明显的下降,主斑的能量利用率的损失很小。相较而言,这种设计思路对于保障束匀滑器件的真实衍射效率是有帮助的。三、离子束刻蚀工艺的误差分析模型在70mm口径的多台阶位相分布DOE测试中,观察到目标光斑的中心出现了一个较明显的毛刺亮点,在束匀滑中,这个中心亮点的产生对于目标光斑的整体均匀性是一个很严重的破坏。利用台阶仪对刻蚀后的DOE样片进行表面扫描采样后,通过数据拟合的方式,提出了刻蚀误差的表面分布模型;在经过数值分析计算后发现,由于刻蚀误差分布具有了类球面的形态,就使得最终的束匀滑结果在光斑中心出现了亮点。在与随机误差分布的比较中发现,在同样的方差下,具有规则分布的误差形态会对于束匀滑产生更明显的影响。通过对刻蚀误差的系统分析,进行了离子束工艺的经验累积,这为后续的大口径束匀滑器件的工艺制作提供了较好的技术支持。四、固定刻蚀系统误差下的工艺优化方法在后续研究中,将刻蚀误差分成了两个主要部分:由刻蚀环境的随机扰动形成的正态随机误差及离子源强度在径向分布的不均匀产生的系统误差。从之前的研究得知,随机分布的误差形式对于束匀滑器件并不会产生太大影响。对于刻蚀系统误差,借助于误差分析中误差偏度系数的概念,提出了一个G参量来描述系统误差的整体分布情况。在数值模拟中发现,对于不同的离子源径向强度分布,随着刻蚀时间的变化,当G参量变化到零附近时,束匀滑效果会向较好的趋势发生变化。由此提出了一个针对离子源强度分布进行的一个工艺优化方法,对刻蚀时间进行优选。随后对两个相同系统误差下不同的刻蚀时间的DOE样片进行了数值模拟和实际测试,结果表明,在固定的系统误差下,通过控制刻蚀时间来调整工艺的方法是可行的,且容易实现。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 衍射光学元件简述
• 1.2 惯性约束核聚变技术简介
• 1.2.1 惯性约束核聚变（ICF）简述
• 1.2.2 ICF的实现及驱动方式
• 1.3 ICF均匀照明中的DOE
• 1.3.1 均匀照明的DOE实现方法
• 1.3.2 多台阶位相片（DPP）的评价指标
• 1.4 本论文的内容安排
• 参考文献
• 第二章 DOE设计原理及方法
• 2.1 DOE的设计原理
• 2.1.1 DOE的设计思想
• 2.1.2 均匀照明用DOE的理论设计模型
• 2.2 常用的DOE设计方法
• 2.2.1 基于Fourier变换的迭代方法
• 2.2.2 极值搜索优化算法
• 2.3 其他方法
• 2.3.1 杂化算法
• 2.3.2 分布迭代方法
• 2.3.3 空间频域优化方法
• 2.3.4 差值反馈优化算法
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 DOE设计中的插值迭代方法
• 3.1 插值迭代设计原理
• 3.1.1 信号内插
• 3.1.2 DOE束匀滑内插模型
• 3.1.3 算法流程
• 3.2 设计实例分析
• 3.2.1 设计结果
• 3.2.2 束匀滑效果比较
• 3.2.3 重复性验证
• 3.3 算法的局限性
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 DOE设计中的衍射效率分析
• 4.1 Φ320mm16台阶DPP的衍射效率分析
• 4.1.1 数值模拟分析
• 4.1.2 理论推导分析
• 4.2 衍射效率的改进办法
• 4.2.1 衍射效率损耗的近似计算
• 4.2.2 增大采样点设计
• 4.2.3 离线测试结果
• 4.3 新的DPP设计结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 DPP的工艺实现及误差分析
• 5.1 DPP制作工艺简介
• 5.1.1 紫外光刻工艺
• 5.1.2 离子束刻蚀工艺
• 5.1.3 掩模套刻方法
• 5.2 DPP的束匀滑实现
• 5.3 70mm直径小口径DPP工艺分析
• 5.3.1 随机分布型刻蚀误差对匀滑的影响
• 5.3.2 球面分布型刻蚀误差对于束匀滑的影响
• 5.4 DPP工艺优化方法
• 5.4.1 离子束发射源强度拟合
• 5.4.2 G参数对于束匀滑的影响
• 5.4.3 离子束刻蚀工艺优化的思想
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 DOE设计近期进展
• 6.1 旋转对称DOE设计
• 6.1.1 一维Phase Unwrap方法
• 6.1.2 旋转对称DOE设计结果
• 6.1.3 旋转对称DPP的宽容性
• 6.2 衍、折射结合设计方法
• 6.2.1 基本设计原理
• 6.2.2 小口径衍折射DPP设计结果
• 6.3 二维位相展开与CPP设计
• 6.3.1 CPP的设计理念
• 6.3.2 二维位相展开与CPP设计方法
• 6.3.3 CPP设计结果
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
• 致谢