光束取样光栅结构设计原理与步骤

摘要：

光束取样光栅(BSG)是一种重要的用于光束取样诊断的衍射光学元件。以2块取样光栅代替单块光栅作为初始光学结构，运用Zemax光学设计软件采用分步优化的方法设计了具有消像差功能的光栅对结构，此方法比采用Matlab语言编程计算的方法消像差更快捷、更灵活，同时可以验证程序计算结果的正确性。设计结果显示：再现的会聚光经2块光栅衍射后在像平面上点列图中的均方根半径仅为0.506μm，单块取样光栅的均方根半径则为7.284μm，说明2块光栅能够做到像差互相矫正，其像质明显好于单块取样光栅。另外，设计出的双光栅光学系统，可进行远场光斑质量检测，为激光束性能的在线诊断提供了行之有效的技术支持。

引言

取样光栅是一种相位型的变周期光栅，可以看成离轴的全息波带篇，这种光栅结构以-1级衍射光束作为取样光束，其衍射效率由光栅的深度和占宽比决定。取样光栅一般用全息记录方式制作，记录波长和取样波长不一致会造成衍射光像差大，不宜诊断远场光斑质量。若是双光栅结构，由于多出2个记录点的4个位置坐标变量，可以大大提高消像差的效果。

光栅记录点位置可以通过计算机编程求解光栅方程得到。而编程计算有时过于费时、繁琐，本文采用ZEMAX光学设计软件及其宏编程语言设计此双取样光栅结构，通过合理设计两光栅的相对位置和偏转角度，优化光栅记录点坐标使得像差最小。设计结果表明，此结构能够满足实际使用需求，为光栅设计提供了一种新的方法。

1 光学结构设计

初始结构的选取对于采用ZEMAX光学设计软件进行设计是非常重要的一步。依据BSG的使用条件，如光束取样角度、聚焦距离等确定双光栅系统结构如图1所示。光学结构相关参数（取样角度、聚焦距离）的设定需考虑到后期像差的可矫正性。我们的目的是在此光学结构基础上优化记录参数，进行消像差。

图1 光程函数原理图

图中f1、f2分别为2光栅的取样距离。

1.1 设计原理与步骤

取样光栅作为离轴相位型菲涅尔波带片，其聚焦距离、衍射角度等以光栅方程

为依据，由2个记录点的坐标变量（x0，y0，z0）和（xR，yR，zR）确定形成具有特定形貌的光栅槽型，在一定再现条件下实现光束采样。同时这2个记录点坐标变量的选取是与使用条件相关的。

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3 结果评价

展现的会聚光经2块光栅衍射后在像平面上的点列图如图6所示。从图中可以得知均方根半径为0.506μm，此像质较上述单块取样光栅像质（均方根半径7.284μm）要好得多，说明2块光栅能够做到像质互相矫正。另外作为对比，如果均以100cm作为初始结构数据进行优化，优化结构如图7所示。RMS值为36.7μm，其像质要远远劣于分布优化的结果，而且优化时间也较分步优化的时间长。

4 结论

以上从光栅对结构出发，利用ZEMAX软件，采用分步优化的方式消除光栅系统像差，免去求解像差方程组的困难，在很大程度上减少了人工运算，提高了工作效率。这样的取样光栅对结构可完成波前畸变检测的工作，为大型激光束性能评价提供了有利的帮助。

审核编辑：汤梓红