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超强激光科学卓越创新简报

(第四百八十九期)

2024年3月18日

上海光机所在脉冲压缩光栅双光束静态干涉场全息曝光光学元件指标体系和曝光光场均匀性控制工艺研究中取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部在脉冲压缩光栅双光束静态干涉场全息曝光系统光学元件的指标体系和曝光光场均匀性控制工艺研究中取得新进展。研究首次建立了反射曝光光场均匀性的定量评价体系，并在小口径反射曝光系统中成功实现了应用验证。相关研究成果以“Specifications and control of spatial frequency errors of components in two-beam laser static holographic exposure for pulse compression grating fabrication”为题发表在High Power Laser Science and Engineering上。

超高强度、超短脉冲激光的出现和迅猛发展，为人类提供了前所未有的极端物理条件与全新实验手段，成为国际激光科技的最新前沿与竞争重点领域。脉冲压缩光栅是超强超短激光装置中的核心元件，光栅的口径决定了激光的输出功率上限。国内外发展的细光束扫描曝光、静态干涉场透射曝光、曝光拼接以及机械刻划等方法，都不具备双向米量级光栅的制备能力。

上海光机所提出了利用大口径离轴反射曝光系统制作米级脉冲压缩光栅的创新方案。该方案的核心是利用高精度的离轴抛物面反射镜形成两束平行光大范围构造均匀的曝光光场，而光场均匀性主要由离轴抛物面镜的表面误差决定，尤其是中高频误差。由于缺乏制造误差对光场均匀性的定量评价体系和相关的全频段误差一致收敛高精度加工工艺，目前仍没有成功的先例。

团队基于自由光场衍射理论建立了反射曝光离轴抛物面镜表面频段误差与曝光光场均匀性的映射模型，确立了镜面面形频段误差定量指标体系，进而提出了曝光镜全频段误差一致收敛的创新加工工艺技术。依据模型确定的指标评价体系，要求曝光镜中高频误差需分别优于0.65 nm和 0.5 nm。因此，采用上述加工技术，制作了Φ300 mm的离轴反射曝光系统。其中，曝光镜的中高频误差RMS分别被抑制至0.586 nm及0.462 nm，且周期性误差以及规则条纹误差被完全消除。最终，利用该曝光系统成功制作了一块尺寸为200mm×150mm的多层介质膜（MLD）衍射光栅，-1级的平均衍射效率达到98.1%，衍射波前PV优于0.3波长。

这一研究为制造大口径衍射光栅提供了全新的途径，为后续研制百拍瓦级高功率激光装置所需的米级脉冲压缩光栅奠定了技术基础。

相关工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金青年基金、上海市科委青年科技英才扬帆计划、上海市战略性新兴产业发展专项资金等基金的支持。

原文链接

图1Φ300mm离轴抛物面镜曝光系统全频段误差结果：(a) 使用4英寸Zygo干涉仪测量离轴镜的低频面形误差。(b) 根据模型滤波后得到的中频误差和光场分布的图片；(c) 利用Zygo白光轮廓仪采用20倍镜头测量得到的高频误差以及显微镜测量的光栅掩模照片。(d) 1维功率谱密度曲线。

图2 200mm×150mm MLD光栅的衍射波前和效率分布：(a) -1级衍射波前。(b) 0级衍射波前。(c) +1级衍射波前。(d) 在1740 l/mm处的MLD光栅的衍射效率图，在1053 nm下有效孔径内衍射效率均匀(Ave = 98.1%，σ = 0.3%，Max = 98.6%)。(e) 采用反射曝光方法制作MLD光栅实物图。

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