惯性约束核聚变系统中，SiO₂溶胶凝胶增透膜已广泛应用于无浮雕平面透射光学元件中，但由于缺乏可靠的浮雕面涂覆工艺，该增透方法并未能应用到光束采样光栅。对弯月面法和旋涂法在光束采样光栅浮雕面涂覆SiO₂溶胶凝胶增透膜进行了探究，对涂覆后的光栅表面形貌使用光学显微镜、轮廓仪及原子力显微镜进行了检测，并对光栅零级和负一级衍射效率的大小和均匀性进行了测试。结果表明，相比于旋涂法，弯月面法涂覆后的光栅表面更为光滑，光栅槽填充一致性更好，原始槽型保持度更高，工艺可重复性更好且膜厚更均匀。衍射效率测试结果表明，弯月面法涂覆SiO₂溶胶凝胶增透膜可有效提高光束采样光栅的零级衍射效率，与未涂覆相比增大了约3.8%，与理论计算结果基本吻合，且涂覆后光栅衍射效率的均匀性变得更好。

综述了近五年来为神光装置研制大口径熔石英采样光栅所取得的主要进展。提出了大尺寸采样光栅的化学机械抛光技术, 将全息光刻-离子束刻蚀的430 mm口径采样光栅的采样效率均匀性控制在均方根值低于5%, 满足了采样光栅的设计要求。针对采样光栅的阈值特性, 利用二次离子质谱技术, 定量表征了采样光栅制备过程中引入的污染及其清洗效果, 优化、发展了采样光栅的清洗方法。探索了基于氢氟酸和感应耦合等离子体刻蚀的熔石英基底处理技术, 结合干湿法处理技术来去除熔石英光栅基底的亚表面损伤。为进一步提升采样光栅抗激光辐射损伤特性, 提出将发展大尺寸熔石英采样光栅的氢氟酸处理方法及具有亚波长减反光栅结构的采样光栅的制备方法。

作为强激光系统的终端组件之一，光束采样光栅是制作在熔石英基底上的浅槽光栅。利用熔石英的传统化学机械抛光技术，修正熔石英光束采样光栅的槽型轮廓，降低局部偏高的衍射效率，以提高光束采样光栅的整体效率均匀性。利用此方法已成功将430 mm×430 mm的光束采样光栅的衍射效率均方根值(RMS)由30%附近降低到5%以下。实验结果显示，利用传统化学机械抛光技术可以有效提高光束采样光栅衍射效率均匀性，这是一种可行的技术方案。

针对高功率激光装置内部最易产生受激布里渊散射(SBS)效应的大口径取样光栅(BSG)元件, 测试了经过化学刻蚀、紫外激光清洗作用处理后, 大口径光学元件BSG侧面在355 nm激光辐照下的损伤阈值、损伤形态以及产生的石英颗粒气溶胶对环境污染程度的分析。结果表明: 经过化学刻蚀, BSG侧面的损伤阈值提高78%, 基本与通光面的损伤阈值相当, 而经过紫外激光处理后的损伤阈值提升不高, 仅为通光面损伤阈值的56%。侧面对比分析了相同激光能量辐照下样片侧面产生的气溶胶污染状况, 结果表明紫外激光处理同样可以提高光学元件侧面产生污染物的阈值, 且对光学元件性能没有影响。通过微观形貌和对通光口径影响分析表明, 紫外激光清洗处理比化学刻蚀具有更好的安全性和适用性。

复用体布拉格光栅具有良好的波矢选择性以及可控的衍射效率。根据Kogelnik耦合波理论，分析复用体布拉格光栅作为谐波分离以及光束取样元件的可行性。结果表明，采用复用两片反射型以及单片透射型体布拉格光栅的结构，使得两片反射型体布拉格光栅对混有三个倍频成分的主光束中的基频、二倍频光束(1053 nm和527 nm)高效率衍射（色分离度分别为0.2%和0.3%），而对三倍频光束(351 nm)高效率透射（接近于100%），以达到谐波分离的目的；而透射型体布拉格光栅对三倍频光束低效率衍射(等于0.98%)，且衍射光束的空域时域光强分布与三倍频光束基本一致，以达到光束取样的目的。因此复用体布拉格光栅可同时实现谐波分离以及光束取样的功能，这给传统谐波分离以及光束取样光栅提供了一种备选方案。

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。

光束取样光栅(BSG)是应用于惯性约束聚变(ICF)驱动器终端光学系统中的重要光学元件,它可将极小部分激光能量(约0.1％)从主光路中分离出来,为系统激光参数的精密诊断提供取样信号。然而在实际应用中,由于系统光路结构复杂,入射到BSG的光束与理想情况总存在一定的偏差,影响了BSG取样光束信号的准确性和有效性。基于菲涅耳全息记录与再现原理,建立了BSG的使用状态模型并对其光束取样过程进行了深入研究,重点分析了照明光束存在波长偏移、入射角偏差或相位畸变时,BSG取样光斑位置及其能量分布的规律。为实际工程系统中BSG的应用调整提供了参考。

在惯性约束聚变(ICF)终端光学聚焦系统中,采用取样光栅将透射的高功率三倍频光按约0.5%的效率进行聚焦采样,送入能量计中进行诊断。提出了用取样光栅对结构取代单取样光栅,通过合理选择系统参数,包括两块光栅的距离、光栅倾斜角度等,设计出的消像差取样光栅可同时进行能量诊断、光脉冲响应测量、以及远场光斑质量的检测。计算结果显示:光程差从8.3 cm降低到8.7 mm,像点的均方根半径为0.777 μm,达到衍射极限和使用要求。这为ICF系统中激光能量、波前畸变的诊断提供了一种可供选择的新诊断装置。

针对多次曝光法制作集成衍射光学元件时存在的加工制作复杂,会引入较大的对位误差等问题,基于计算全息中的误差扩散编码原理及部分相干光成像理论,提出采用误差扩散编码方法来设计用于制作浮雕结构集成元件的编码掩模的新方法。给出了利用误差扩散法设计的色分离光栅光束采样光栅(CSG-BSG)集成元件编码掩模,模拟计算了经部分相干成像系统后的空间像光强分布,并与理想的集成元件面形进行了比较。结果表明,校正后均方差为7.5%,体积偏差为10.2%。

针对惯性约束聚变(ICF)驱动系统特别是其终端光学系统对元件数和元件厚度的限制要求，利用衍射光学元件(DOE)易于集成的优点，提出一种在石英基片的两面分别曝光制作色分离光栅(CSG)和光束采样光栅(BSG)的新方法，仅需一个石英片即可同时实现谐波分离和光束采样的功能。分别采用光学制版和电子束直写的方法制作了色分离光栅和光束采样光栅的掩模，并利用离子束刻蚀的方法加工了色分离光栅-光束采样光栅集成元件。结果表明，此集成元件的三倍频光能量利用率、色分离度以及采样效率等参数均与三倍频光通过色分离光栅、光束采样光栅分离元件时得到的结果相吻合，达到了惯性约束聚变激光驱动器终端光学系统的基本技术指标要求。