衍射波面像差及其远场衍射光场分布是大口径脉冲压缩光栅质量的重要体现。为进一步优化拼接光栅的远场光斑能量分布，提出了一种光栅并列拼接法。模拟了各种不同像差情况下的光栅并列拼接和光栅对准拼接案例，计算了对应波面的远场衍射光斑能量分布。统计结果表明，光栅并列拼接波面峰谷（PV）值比对准拼接波面PV值小。但光栅远场衍射光斑能量分布情况与像差种类、拼接方式均有关系。进行了全息光栅曝光拼接实验，结果表明光栅并列拼接法不仅可以降低光栅-1级衍射波面像差的PV值，也能够提高远场衍射光斑能量集中度，为全息拼接光栅提供了一种新的方法。

利用严格耦合波理论分析了用于520 nm波长飞秒激光制备光纤光栅的相位掩模的衍射特性, 当相位掩模是矩形槽形时, 占宽比在0.32~0.43之间, 槽形深度在0.57~0.67 μm之间时, 能够保证零级衍射效率抑制在2%以内, 同时±1级的衍射效率大于35%。在此基础上, 利用全息光刻-离子束刻蚀技术, 制作了用于520 nm波长飞秒激光的周期为1 067 nm、有效面积大于40 mm×30 mm的相位掩模。实际制作的相位掩模是梯形槽形, 槽深是0.665 μm, 分析了梯形槽形中梯形角对衍射效率的影响。实验测量表明, 该相位掩模的零级衍射效率小于2%, ±1级衍射效率大于40%,满足飞秒激光制作光纤光栅的需要。

全息曝光系统中干涉条纹的稳定性直接影响光栅掩模质量。研究了参考干涉条纹的特性,提出一种光栅相位、倾斜度和周期的检测方法。为提高光栅曝光系统的稳定性,设计了一套全息光栅干涉条纹三维锁定系统。利用摄像机对参考干涉条纹进行检测,利用微电机和压电陶瓷对光路进行微调,可实现对光栅相位、倾斜度和周期的有效控制。实验结果表明,三维锁定系统可有效提高干涉条纹的稳定性,缩短光栅曝光前的静台稳定时间,提高光栅曝光对比度,可为大口径全息光栅曝光质量的提高提供技术支持。

基于严格耦合波分析,研究凸面闪耀光栅的衍射特性;采用全息光刻-离子束刻蚀法制作中心周期为2.45 μm、曲率半径为51.64 mm、口径为17 mm的凸面闪耀光栅,闪耀角为6.4°,顶角为141°。结果表明,在整个可见-近红外波段,所制作光栅的1级衍射效率大于40%,在闪耀波长处1级衍射效率大于75%。

全息光栅拼接参数需要用参考干涉条纹来检测。系统像差会造成干涉条纹扭曲, 产生光栅拼接误差。为补偿像差造成的光栅拼接误差, 对像差与干涉条纹扭曲量之间的理论关系进行了研究, 利用计算机模拟了参考干涉条纹图像, 并将光栅拼接误差预调制到参考干涉条纹图像中。为验证该方法的有效性, 在曝光系统像差峰-峰值为0.72λ的情况下进行了光栅拼接实验, 在光栅拼缝处像差造成-1级衍射波面最大突变量为0.36λ。利用预制参考干涉条纹图像作为拼接参考时, 其最大突变量为0.097λ。实验结果表明, 在曝光系统像差较大的情况下, 干涉条纹预制法能够有效地控制光栅拼接误差。

考虑激光脉冲啁啾放大与压缩技术要求脉冲压缩光栅有较低的像差, 设计并制作了一个小形变变形镜来补偿大口径光栅基板加工残余的亚微米级静态像差对光栅波像差的影响。 该变形镜有效口径为80 mm、厚度为5 mm, 包含19个分立式压电促动器。采用干涉仪测量得到各个促动器的响应函数, 构建了变形镜的刚度矩阵; 采用最小二乘法求解出获得目标面形时各个促动器上所需施加的控制电压; 通过整体优化和局部优化的结合, 使变形镜的目标面形得到了有效控制。应用该变形镜构建了主动式全息光学记录系统, 并选用具有较大像差的基板开展了光栅像差补偿实验。实验显示, 对残余像差为~0.93λ的基板, 采用变形镜后制作出了残余波面PV可达0.14λ(@ 633 nm)的脉冲压缩光栅, 验证了小形变变形镜在光栅基底像差补偿上的有效性。

提出了一种用于飞秒钛宝石激光器的复合型透射式脉冲压缩光栅。该光栅由1 250 line/mm和3 300 line/mm两种光栅集成在一个熔石英基底上制成, 其工作中心波长为800 nm, 工作波段为700~900 nm。1 250 line/mm光栅用于脉冲压缩; 3 300 line/mm光栅的运用则有益于减少透射光栅的反射损失, 同时由于采用高频光栅结构代替了传统增透膜, 可有效减少光栅基底的波前形变。该复合光栅完全由熔石英材料构成, 故具有很高的损伤阈值。利用严格耦合波理论对该复合型透射光栅的微结构进行了优化设计, 结果表明: 1 250 line/mm光栅在中心波长800 nm处的-1级衍射效率可达98%; 3 300 line/mm增透光栅的透过率在700~900 nm波段可以达到99.7%以上。最后, 应用全息记录技术和离子刻蚀技术实际制备了Φ65 mm×1 mm的复合式透射脉冲压缩光栅, 实测衍射效率与理论设计相符。

针对强激光系统中常用的1 053 nm激光器进行了偏振光栅结构的优化设计。利用严格耦合波理论分析了光栅偏振器的衍射特性及消光比, 分析显示偏振光栅周期为600 nm, 占宽比为0.535~0.55, 槽形深度为1 395 nm~1 420 nm时, 可保证其在1 053 nm波长下, 透射率高于95%, 消光比大于1 500。基于分析结果, 利用全息光刻技术制作了高质量光刻胶光栅掩模, 并采用倾斜转动的离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀的方法对该光刻胶光栅掩模进行图形转移, 制作了底部占宽比为0.54, 槽形深度为1 400 nm的光栅偏振器。实验测量显示其透射率为92.9%, 消光比达到160。与其他制作光栅偏振器方法相比, 采用单光刻胶光栅掩模结合倾斜转动的离子束刻蚀工艺, 不但简化了制作工艺, 而且具有激光损伤阈值高、成本低的优点。由于该技术可制作大面积光栅, 特别利于在强激光系统中应用。

激光约束核聚变系统需要大口径脉冲压缩光栅。全息光栅拼接法是制造大口径光栅的重要手段。针对有像差的全息曝光系统，提出了一种拼缝处光栅对准拼接方法。为研究像差对光栅拼接特性的影响，用随机波面进行了光栅模拟拼接，计算了远场衍射能量分布与拼接误差的关系。实验拼接了（150+150）×200 mm2口径光栅，其拼接均方根误差值为0.034λ，峰-峰误差值为0.110λ。利用光栅±1 级衍射波面，计算得到了曝光系统像差，并模拟了拼缝处最小拼接误差，其均方根误差值为0.016λ，峰-峰误差值为0.105λ。结果表明，拼接误差与理论模拟结果相近。该误差不会造成远场衍射光斑能量明显下降。由此证明了该方法的可行性。

为了研究大口径拼接压缩光栅的固定像差和随机像差对光学拼接的影响, 采用数值模拟的方法, 理论分析了参考光栅的衍射光斑特性。在有效判据的基础上, 得到了光栅的拼接精度。结果表明, 当拼接子光栅的波像差为1.0λ时, 其最大拼缝偏差约为0.26个光栅周期, 采取人工干预后, 最大拼缝偏差增加到0.42个光栅周期。与此同时, 最大角度偏差约为0.71μrad, 两种特性参量均比无像差时的拼接要求大幅度降低。这一结果对高能量皮秒激光装置的改进有一定的积极意义。