摘要：

光束取樣光柵(BSG)是一種重要的用于光束取樣診斷的衍射光學(xué)元件。以2塊取樣光柵代替單塊光柵作為初始光學(xué)結(jié)構(gòu)，運用Zemax光學(xué)設(shè)計軟件采用分步優(yōu)化的方法設(shè)計了具有消像差功能的光柵對結(jié)構(gòu)，此方法比采用Matlab語言編程計算的方法消像差更快捷、更靈活，同時可以驗證程序計算結(jié)果的正確性。設(shè)計結(jié)果顯示：再現(xiàn)的會聚光經(jīng)2塊光柵衍射后在像平面上點列圖中的均方根半徑僅為0.506μm，單塊取樣光柵的均方根半徑則為7.284μm，說明2塊光柵能夠做到像差互相矯正，其像質(zhì)明顯好于單塊取樣光柵。另外，設(shè)計出的雙光柵光學(xué)系統(tǒng)，可進行遠場光斑質(zhì)量檢測，為激光束性能的在線診斷提供了行之有效的技術(shù)支持。

引言

取樣光柵是一種相位型的變周期光柵，可以看成離軸的全息波帶篇，這種光柵結(jié)構(gòu)以-1級衍射光束作為取樣光束，其衍射效率由光柵的深度和占寬比決定。取樣光柵一般用全息記錄方式制作，記錄波長和取樣波長不一致會造成衍射光像差大，不宜診斷遠場光斑質(zhì)量。若是雙光柵結(jié)構(gòu)，由于多出2個記錄點的4個位置坐標(biāo)變量，可以大大提高消像差的效果。

光柵記錄點位置可以通過計算機編程求解光柵方程得到。而編程計算有時過于費時、繁瑣，本文采用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件及其宏編程語言設(shè)計此雙取樣光柵結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)計兩光柵的相對位置和偏轉(zhuǎn)角度，優(yōu)化光柵記錄點坐標(biāo)使得像差最小。設(shè)計結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)能夠滿足實際使用需求，為光柵設(shè)計提供了一種新的方法。

1 光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計

初始結(jié)構(gòu)的選取對于采用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件進行設(shè)計是非常重要的一步。依據(jù)BSG的使用條件，如光束取樣角度、聚焦距離等確定雙光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)（取樣角度、聚焦距離）的設(shè)定需考慮到后期像差的可矯正性。我們的目的是在此光學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化記錄參數(shù)，進行消像差。

圖1 光程函數(shù)原理圖

圖中f1、f2分別為2光柵的取樣距離。

1.1 設(shè)計原理與步驟

取樣光柵作為離軸相位型菲涅爾波帶片，其聚焦距離、衍射角度等以光柵方程

為依據(jù)，由2個記錄點的坐標(biāo)變量（x0，y0，z0）和（xR，yR，zR）確定形成具有特定形貌的光柵槽型，在一定再現(xiàn)條件下實現(xiàn)光束采樣。同時這2個記錄點坐標(biāo)變量的選取是與使用條件相關(guān)的。

......

3 結(jié)果評價

展現(xiàn)的會聚光經(jīng)2塊光柵衍射后在像平面上的點列圖如圖6所示。從圖中可以得知均方根半徑為0.506μm，此像質(zhì)較上述單塊取樣光柵像質(zhì)（均方根半徑7.284μm）要好得多，說明2塊光柵能夠做到像質(zhì)互相矯正。另外作為對比，如果均以100cm作為初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖7所示。RMS值為36.7μm，其像質(zhì)要遠遠劣于分布優(yōu)化的結(jié)果，而且優(yōu)化時間也較分步優(yōu)化的時間長。

4 結(jié)論

以上從光柵對結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用ZEMAX軟件，采用分步優(yōu)化的方式消除光柵系統(tǒng)像差，免去求解像差方程組的困難，在很大程度上減少了人工運算，提高了工作效率。這樣的取樣光柵對結(jié)構(gòu)可完成波前畸變檢測的工作，為大型激光束性能評價提供了有利的幫助。

審核編輯：湯梓紅