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。

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。

为了制作大面积拼接光栅，对全息光栅拼接误差进行了分析。利用参考光栅与光场光栅形成的莫尔条纹来控制拼接光栅位置和误差，确定了参考光栅莫尔条纹间距、倾斜度及相位与拼接光栅位置之间的关系。研究了参考光栅面和拼接光栅基片不平行时莫尔条纹与拼接光栅条纹的相位一致性，计算了光程差漂移对拼接光栅相位对准误差的影响，分析了工作平台移动对光栅拼接误差的影响。得出光栅拼接总误差为0.15λ，该误差接近光栅拼接精度要求，通过实验验证了全息光栅拼接误差分析的正确性。结果表明，利用参考光栅进行全息光栅拼接是可行的。全息拼接光栅的误差分析为制作米量级高精度拼接光栅提供了理论支持。

脉冲压缩光栅是激光约束核聚变系统中的重要光学元件。随着激光约束核聚变工程的快速发展, 对光栅的口径要求越来越大。全息技术是制造大口径脉冲压缩光栅的重要手段, 其制作的光栅大小受限于记录光学系统口径。为了制造出超大口径的脉冲压缩光栅, 提出了一种采用多次曝光拼接技术制作大口径脉冲压缩光栅的方法。该方法采用参考光栅作为检测元件, 利用其再现的光学特性, 以检测记录干涉光场与已记录光栅之间位相匹配情况, 并利用条纹锁定系统控制记录干涉光场的相位, 实现光学拼接制作大口径脉冲压缩光栅的目的。开展了1740 lp/mm光栅拼接实验研究, 拼接对准精度优于30 nm。

为了检测全息光栅掩模槽形,运用严格耦合波理论(RCWT)分析镀铬基片光栅光刻胶掩模反射0级衍射效率光谱曲线与槽形参量的关系。测量了400～700 nm波长范围内60°入射角条件下的镀铬基片全息光栅光刻胶掩模反射0级衍射效率光谱曲线。将实验曲线与不同槽形参数对应理论曲线相减、求标准差进行匹配,标准差最小者为匹配结果,从而找到被测掩模的槽深和占宽比(光栅齿宽占光栅周期的百分比)。结果表明,该方法图形匹配速度快,误差容限大,匹配结果与电镜结果相符。对于要求同时检测矩形或接近矩形槽形的全息光刻胶光栅掩模的槽深和占宽比,该方法完全适用。

为了从理论上探究介质膜基底光刻胶光栅掩模槽形的检测方法,对此种光栅掩模建立了以C方法为理论基础的衍射效率理论计算的数学模型,并将从实际光栅掩模的SEM照片得出的光栅槽形参数带入到该模型中,得到了一系列-1级衍射光的光谱分布曲线,这些曲线的变化趋势与一定光栅槽形相对应,提出了通过测量衍射光的光谱分布曲线判断光栅槽形的无损检测方法.分析表明,该方法在光栅槽形的检测过程中,可以较为有效地判断光刻胶是否到底,而这一点在掩模的制作工艺中至关重要.

从理论和实验上研究了多层介质膜光栅掩膜特性,用严格耦合波(RCW)法对由光栅掩膜槽形和多层膜介质基底引起的衍射效率的变化进行了理论分析,计算得出不同形貌下的光栅掩膜的反射0级光谱衍射效率分布。在实验检测方法上,采用了0级反射光衍射效率分布来进行槽形判断,并将实验结果和理论计算进行了对比。结果证明使用该方法研究光栅掩膜形貌在一定程度上是有效的。

对偏振型空间调制干涉光谱仪采用的偏振分光器-Wollaston棱镜的分光原理进行了深入分析,并对主截面内不同入射情况下产生的寻常光(o光)和非寻常光(e光)之间的光程差进行了计算机模拟,模拟结果为偏振型空间调制干涉光谱仪的参数设计及应用提供理论依据.