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元件。以2塊取樣光柵代替單塊光柵作為初始光學結構，運用Zemax光學設計軟件采用分步優化的方法設計了具有消像差功能的光柵對結構，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果的正確性。設計結果顯示：再現的會聚光經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，其像質明顯好于單塊取樣光柵。另外，設計出的雙光柵光學系統，可進行遠場光斑質量檢測，為激光束性能的在線診斷提供了行之有效的技術支持。

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，這種光柵結構以-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量。若是雙光柵結構，由于多出2個記錄點的4個位置坐標變量，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光學設計軟件及其宏編程語言設計此雙取樣光柵結構，通過合理設計兩光柵的相對位置和偏轉角度，優化光柵記錄點坐標使得像差最小。設計結果表明，此結構能夠滿足實際使用需求，為光柵設計提供了一種新的方法。

1 光學結構設計

初始結構的選取對于采用ZEMAX光學設計軟件進行設計是非常重要的一步。依據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結構如圖1所示。光學結構相關參數（取樣角度、聚焦距離）的設定需考慮到后期像差的可矯正性。我們的目的是在此光學結構基礎上優化記錄參數，進行消像差。

圖1 光程函數原理圖

圖中f1、f2分別為2光柵的取樣距離。

1.1 設計原理與步驟

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

......

3 結果評價

展現的會聚光經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，此像質較上述單塊取樣光柵像質（均方根半徑7.284μm）要好得多，說明2塊光柵能夠做到像質互相矯正。另外作為對比，如果均以100cm作為初始結構數據進行優化，優化結構如圖7所示。RMS值為36.7μm，其像質要遠遠劣于分布優化的結果，而且優化時間也較分步優化的時間長。

4 結論

以上從光柵對結構出發，利用ZEMAX軟件，采用分步優化的方式消除光柵系統像差，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構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