激光问世以后,科学家们提出了采用激光作为驱动器实现惯性约束核聚变(ICF)的设想,不少国家都建造了高功率的激光驱动装置。大型计算机和干涉技术的出现使得高密度光栅的设计与制作成为可能,并成为激光驱动装置中重要的光学元器件之一。由于ICF装置是目前最大的光学工程之一,它将现有的光学设计技术和加工工艺推向了极限,对应用其中的光栅提出了相当苛刻的要求,比如要求大口径,宽光谱,高衍射效率,高面形精度、高激光损伤阈值等。因此,设计光栅的精细结构并研究其对性能的影响具有重要现实意义。本博士论文针对适用于高功率激光装置的光栅偏振分束器和压缩器,主要开展了以下几个方面的研究工作:　　 1)据ICF系统中使用的光栅周期均接近或小于光波波长(即在共振区范围之内)的特点,在系统了解光栅设计理论的基础上,结合所需功能对光栅结构的具体要求,编写了严格耦合波和简化模式理论的程序分析和设计光栅,并采用有限元分析法对部分结果进行验证　　 2)利用高密度光栅的偏振特性,设计了适用于高能激光装置的光栅偏振分束器。该光栅偏振分束器结构简单,具有较高的消光比,更重要的是,该器件可完全采用具有稳定的物理化学性能、高激光破坏阈值的熔融石英制作,有利于其在高能量的激光装置中使用。通过调整模式法中特征方程的表现形式,证明了在光栅材料的折射率可视为常数的情况下,光栅的衍射效率与光栅周期及深度与设计波长的比值有关。因此,所获取的光栅结构参数可应用于不同中心波长的激光装置。在光栅偏振分束器的设计上,采用简化模式法分别设计了两种偏振分束器,并通过拉格朗日插值法获取了衍射效率高于0.90的光栅参数的解析表达式,且采用严格耦合波法验证了设计结果。在此基础上,引入了低折射率的多孔二氧化硅薄膜将大部分的光栅偏振分束器的衍射效率提高至0.99,并大幅提高了各光栅结构下的光谱宽度。　　 3)针对1053nm的高功率激光装置,设计了应用于压缩器或展宽器的全内反射式的光栅。光束从高折射率材料向低折射率材料入射,要求入射角满足利特罗条件和全反射条件,使得无透射光能损耗,从而获得近100%的负一级衍射效率。因为要满足上诉入射条件,导致可选择的光栅周期范围较窄,且由于刻蚀深度过高的光栅难以制作,进而将光栅的刻蚀深度限制在一微米以内,因此,对该光栅的设计采用的是利用严格耦合波法计算出所有满足上述条件的光栅参数(包括周期、深度、和占空比)的衍射效率,并采用三维图形表示。在此基础上,抽样对衍射效率高于0.99的光栅结构的其它性能(包括光谱宽度、角度宽度、色散、和光场分布)进行了分析研究。数值模拟的结果指出在TM波照射下,光栅的光强增强比较高,可能导致光栅损坏,因此该结构的光栅更适合用于TE波照射。由于光路不经过光栅表面,可将该光栅表面用防护罩或其它方式保护,有望避免金属光栅和多层介质膜光栅在使用过程中需要面对的气体溶胶和油污染等引发的光栅破坏问题。　　 4)设计了宽带菱形槽反射型光栅。由于矩形槽全内反射型光栅的光谱宽度普遍小于五十纳秒,远不能满足飞秒脉冲输出的需要,在保留其入射方式的情况下,进一步设计了宽光谱的菱形槽反射型光栅。与全内反射型光栅不同,该光栅对入射角度无特别限制,既不要求满足全反射条件也不要求满足利特罗入射条件。在设计上,建立了光栅衍射效率图与光栅光谱宽度的关系,并通过该方法成功地设计了宽带菱形槽内反射式光栅。该法不仅适用于菱形槽内反射式光栅,也可用于其它槽型的光栅,包括正弦形,梯形,三角形等。　　 本博士论文包括了可应用于高功率激光装置中的光栅偏振分束器,光栅展宽器或压缩器的理论设计与分析。文中所使用的研究方法为进一步研究高功率激光装置中其它的衍射光学元件提供了基础,获得的研究结果对文中设计的元件在高功率激光装置中的应用提供了理论基础。鉴于微纳结构的复杂性及其优良的光束控制能力,有必要对其在高能激光装置中的应用进行更深入的研究。