激光阵列发生器是一种将入射光束分割成激光光束阵列的光学元件,在精确测量、激光加工和机器视觉与导航等诸多光学领域得到了广泛的应用。针对星球车大面积高效测绘的要求,提出一种双行错位点阵结构。该点阵结构有别于传统激光阵列发生器1×N点阵或N×N方阵的输出场分布。在大面积测绘过程中其优势在于能够增大有效测绘面积,同时保证较少的数据处理量与较短的处理时间。双行错位点阵的结构特点决定了激光阵列发生器必须具有大发散角、高衍射效率及良好的光斑均匀性等特点。为此本文研制了一种可以生成9/8双行错位点阵的多阶相位浮雕结构的激光阵列发生器,对研究大发散角、高衍效率的特殊点阵激光阵列发生器、星球车视觉导航和激光雷达技术等领域均具有较大促进作用和应用价值。在研究激光阵列发生器设计原理及方法的基础上,采用严格耦合波法对其结构进行分析,提出了一种针对多层浮雕结构严格耦合波分析的改进方法,实现了该方法在保证数值稳定条件下的计算高效性。讨论了有限周期离散型复杂浮雕结构生成双行错位点阵的原理,设计了四台阶9/8双行错位激光阵列发生器,并对其结果进行了模拟仿真。根据9/8双行错位激光阵列发生器对抗蚀掩模制作精度的要求,并结合实验室现有条件,选择电子束光刻技术实现抗蚀掩模的制备。针对多台阶浮雕结构制备过程中电子束光刻工艺所引入的对准误差对抗蚀剂掩模面型精度的影响,提出一种在抗蚀剂层上连续两次曝光制备多台阶浮雕结构的工艺方法。曝光工艺步骤及参数的制定是制备过程中的重要环节,因此,本文采用对相同尺寸及厚度抗蚀剂层进行变加速电压和变剂量的曝光方法,详细讨论了不同加速电压对曝光深度的影响,并得出不同加速电压下曝光深度的极限值及电子束能量与临界曝光剂量的关系,确定了工艺的最佳参数组合。同时,在制备过程中解决了显影后抗蚀剂层上出现的裂纹问题。针对光刻后得到的“台阶结构抗蚀剂掩模-Cr膜-石英基底”这一特殊的刻蚀结构,讨论了射频功率、工作气压、气体流量、基底温度及O2与刻蚀速率及刻蚀表面形貌、侧壁陡直度的关系,分析了石英基底、Cr膜和ZEP520相互间刻蚀速率比的大小,设计了一种多步细分变射频功率、变气体流量的反应离子刻蚀工艺,实现了对石英基底和Cr膜掩蔽层相对独立的刻蚀过程,该过程共13个刻蚀步骤,不仅有效地保证了图形转移精度,更对电子束光刻过程中产生的倒梯形抗蚀剂层有一定补偿,这为激光阵列发生器的良好性能奠定了技术基础。根据以上研究所得,完成了9/8双行错位激光阵列发生器的制备,并搭建了测试系统,分别针对这一特殊结构点阵的激光质量与光斑位置进行了测试。测试结果表明,在满足光斑位置要求的基础上,所生成9/8双行错位点阵的总衍射效率达到80%,光斑均匀性高于90%以上,满足设计要求。综上所述,本文研究的基于多台阶DOE的9/8双行错位激光阵列发生器从设计参数及性能测试结果上均能满足星球车视觉导航系统对设计指标的要求,验证了相关关键技术方案的可行性,解决了可以完成大面积高效测绘的星球车视觉导航激光阵列发生器的研制问题。本文研究的关键技术也可应用于激光测距、智能交通等其他领域中。