衍射光栅作为一种核心光学器件,在光谱分析、太阳能电池、石油化工和公共安全等领域都有重要应用。目前,传统的光栅制备工艺存在成本高、灵活度低和工艺繁琐等缺点。作为一项先进的微纳加工技术,飞秒激光因其脉冲短、峰值功率大,具有极高的加工精度,非常适合加工光栅类的精密结构。目前常见的飞秒激光制备光栅结构的方法中,激光直写法相对双光束干涉法和相位掩膜板法,具有高灵活性、低成本、制备迅速等优点。因此本文的研究工作围绕飞秒激光在熔石英玻璃表面直写制备光栅结构展开,主要研究内容与成果如下:(1)通过实验研究各种激光加工参数对微槽的表面形貌、深度和宽度的影响规律。研究表明:单脉冲能量的降低和扫描速度的提高均会导致材料去除量的减小,进而线槽的深度和宽度降低。通过多次扫描可以有效解决单次扫描下线槽直线度较差的问题,相同的激光工艺参数下,重复扫描次数的提高也会导致材料去除量的增加,表面质量较好的扫描速度区间随重复扫描次数的提高呈递增关系。多次扫描下选择合适的进给量可以进一步提高线槽的加工质量。(2)在微槽结构的研究基础上,优化大尺度光栅结构直写制备工艺。研究表明:制备周期较小的光栅结构时,将光栅周期变为两倍或多倍进行加工,刻写完成后将光斑初始位置沿垂直于光栅的栅线方向移动后再次刻写,通过重复加工的方式可以有效提高光栅质量,可制备特征尺寸更小的光栅结构。利用加工较小面积光栅所获得的激光参数制备大面积光栅结构时,需提高激光能量或降低扫描速度才能获得相似的加工效果。目前的制备工艺在激光重复频率为100kHz时,制备面积为40mm×40mm,周期为50μm的光栅结构耗时较短,仅需五分钟左右。(3)通过数值模拟的方法探究光栅结构参数及入射光的入射条件对衍射效率的影响。以梯形结构光栅为对象,周期为30~50μm,线槽表面宽度为11~19μm,槽深26~34μm。研究表明:线槽的宽度和侧壁的垂直度越低,0级衍射效率越高,-1和+1级衍射效率越低。在0~60°入射角下,光栅的深度越小,0级衍射效率越高,-1和+1级衍射效率越低;入射角大于65°后,衍射效率随深度的变化规律与之前相反。当入射角在0~30°的范围内,光栅的周期越大,0级衍射效率越高,-1、+1级衍射效率越低。入射光的入射条件对衍射效率的影响规律主要为:TM偏振下的衍射效率略高于TE偏振下,但总体相差较小。相同偏振态下,在入射角较大(大于70°)时,-1级衍射效率普遍低于+1级。