關(guān)于衍射光柵

衍射光柵是各種應(yīng)用中的關(guān)鍵光學(xué)元件，包括光譜儀、其他分析儀器、電信和激光系統(tǒng)。光柵包含一個(gè)微觀和周期性的凹槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)衍射將入射光分成多個(gè)光束路徑，使不同波長(zhǎng)的光在不同方向傳播。這使得衍射光柵的功能類(lèi)似于色散棱鏡，盡管棱鏡通過(guò)波長(zhǎng)相關(guān)的折射而不是衍射來(lái)分離波長(zhǎng)（圖1）。

圖1：色散棱鏡通過(guò)折射分離波長(zhǎng)（頂部），而衍射光柵由于其表面結(jié)構(gòu)而通過(guò)衍射分離波長(zhǎng)（底部）。

入射到光柵上的光按照光柵方程被衍射：

m是描述衍射（或光譜）級(jí)的整數(shù)值，λ是光的波長(zhǎng)，d是光柵上凹槽之間的間距，α是光的入射角，β是離開(kāi)光柵的光的衍射角。不同衍射波前的相長(zhǎng)干涉發(fā)生在波長(zhǎng)的整數(shù)倍處，這就是“ m "出現(xiàn)在等式1中的原因。m定義衍射級(jí)，其中衍射角m=1被認(rèn)為是“第一級(jí)"衍射，m=2被認(rèn)為是“第二級(jí)"衍射，等等（圖2）。如果m=0，則根據(jù)光柵是反射光柵還是透射光柵，光直接從光柵反射或透射通過(guò)光柵，并且該光被認(rèn)為是“ 0級(jí)"衍射。與色散棱鏡相反，較低的波長(zhǎng)總是更接近直接反射或透射光，在這種情況下為0級(jí)。不同的指令之間會(huì)有一些重疊。所有角度都是從光柵垂直入射（垂直于光柵）開(kāi)始測(cè)量的。

圖2：雖然一些光直接從該光柵反射為“ 0級(jí)"衍射，但入射光的其他部分根據(jù)波長(zhǎng)被衍射為1級(jí)角度。較小量的入射光也將在較高角度處被分離成較大的第二級(jí)和第三級(jí)。

光柵的凹槽圖案或凹槽之間的間距（d）決定了不同級(jí)衍射的角度。在一些情況下，凹槽間距可以被設(shè)計(jì)成對(duì)于跨越部件的不同衍射水平而跨越光柵變化。另一方面，光柵的凹槽輪廓描述了它們的形狀，并確定有多少光被衍射，以及有多少光被光柵反射或透射。效率圖表用于表征在每個(gè)波長(zhǎng)下將被衍射的光的百分比。對(duì)于不同的偏振狀態(tài)，效率將是唯/一的，因此效率圖表通常顯示s-和p-偏振的不同曲線(xiàn)。通常將金屬或電介質(zhì)涂層添加到光柵上，以使其具有反射性和/或提高效率。

在選擇光柵時(shí)，您應(yīng)該注意什么？

當(dāng)選擇光柵時(shí)，重要的是指/定波長(zhǎng)范圍、閃耀波長(zhǎng)（其是衍射光譜中具有最/高/效率的波長(zhǎng)）和閃耀角。閃耀角描述了閃耀波長(zhǎng)的第一級(jí)衍射角。在該角度下，等式1中的α和β相等，并且入射光在其來(lái)自的完/全相同的方向上被衍射回來(lái)。這種情況也稱(chēng)為利特羅配置。在系統(tǒng)中接近該角度導(dǎo)致最大效率。

通常指/定凹槽密度或頻率，并且這是凹槽間距（d）的倒數(shù)。光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性是其色散水平，但這取決于光柵的特性及其使用方式。在不知道其他系統(tǒng)細(xì)節(jié)的情況下，不能給出光柵本身的規(guī)格，該規(guī)格詳細(xì)說(shuō)明特定量的旋轉(zhuǎn)如何與特定的波長(zhǎng)間隔相對(duì)應(yīng)。還可以指/定光柵的分辨能力，這與系統(tǒng)的光譜分辨率有關(guān)。然而，該分辨率取決于光柵和系統(tǒng)的入口和出口狹縫。光柵的分辨能力（R）取決于光譜級(jí)（M）和照明下的凹槽數(shù)量（N）：

(2)

在照明下通常有很多凹槽，以至于入口和出口狹縫是系統(tǒng)分辨率的限制因素，而不是光柵。效率曲線(xiàn)還可用于驗(yàn)證將在應(yīng)用中使用的所有波長(zhǎng)上的衍射水平。

光柵應(yīng)該至少與入射光錐或光束一樣大，否則來(lái)自邊緣的光將會(huì)丟失。因此，光柵應(yīng)始終填充不足，以防止雜散光在系統(tǒng)周?chē)磸棽a(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。

光柵的類(lèi)型

反射光柵與透射光柵

衍射光柵的兩個(gè)最/廣泛的類(lèi)別是反射光柵和透射光柵。圖1和圖2示出了反射光柵，其本質(zhì)上是具有微觀凹槽的反射鏡。所有衍射級(jí)以不同角度反射離開(kāi)光柵。透射光柵就像帶有微觀凹槽的透鏡，所有衍射級(jí)都透過(guò)光柵，但按照公式1偏移角度。反射光柵通常也稱(chēng)為反射光柵，透射光柵也稱(chēng)為透射光柵。

刻線(xiàn)光柵與全息光柵

反射光柵和透射光柵都可以進(jìn)一步分解為刻線(xiàn)光柵或全息光柵，其不同之處在于產(chǎn)生凹槽輪廓的方式。刻線(xiàn)光柵中的凹槽被機(jī)械刻寫(xiě)或切割成零件，而全息光柵中的凹槽被光學(xué)引入。在全息光柵中，一種稱(chēng)為光致抗蝕劑的光敏材料被沉積在基底上，并暴露于與光致抗蝕劑相互作用的光學(xué)干涉圖案。然后使用化學(xué)物質(zhì)去除剩余的光刻膠，留下光柵圖案。規(guī)則光柵通常具有三角形凹槽，如圖1所示，而全息光柵通常具有正弦凹槽（圖3和4）。

圖3：刻線(xiàn)衍射光柵通常以三角形凹槽為特征。

圖4：全息衍射光柵通常以正弦凹槽為特征。

中階梯光柵

與其他光柵相比，階梯光柵具有較高的凹槽間距或較低的凹槽密度，通常約為10倍，但有時(shí)高達(dá)100倍。以高入射角（α）照射階梯光柵將產(chǎn)生高色散、高分辨能力和高效率，且對(duì)偏振的依賴(lài)性較低。這些光柵非常適合需要高分辨率的情況，例如靈敏的天文儀器和追求原子分辨率的系統(tǒng)。

平面光柵與凹面光柵

所有上述光柵類(lèi)型都可以再次分解為平面（或平面）和凹面光柵，這描述了它們的整體形狀。平面光柵是平的，更常見(jiàn)。如果它們的槽是直的并且等距，光柵是平的，并且入射光是準(zhǔn)直的，則所有的衍射光將被準(zhǔn)直。這在許多應(yīng)用中是有益的，因?yàn)橄到y(tǒng)的聚焦特性與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。與凹面光柵相比，平面光柵通常還降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。凹面光柵是彎曲的，因此可以會(huì)聚或發(fā)散光線(xiàn)。這對(duì)于減少系統(tǒng)中所需的光學(xué)部件的總數(shù)是有用的，但是系統(tǒng)的聚焦特性將是波長(zhǎng)相關(guān)的。

光柵應(yīng)用

光柵用于各種不同的應(yīng)用中，但常見(jiàn)的系統(tǒng)包括：

單色儀

單色儀使用凹面或平面光柵以及凹面鏡來(lái)從入射光中選擇窄波長(zhǎng)帶。如果白色光源入射到這些設(shè)備中的一個(gè)上，則它們可以濾除除預(yù)期的窄輸出波段之外的所有波長(zhǎng)。圖5演示了單色儀如何旋轉(zhuǎn)光柵，以便允許不同波長(zhǎng)通過(guò)出射狹縫，而所有其他波長(zhǎng)都被阻擋。

圖5：平面光柵單色儀（頂部）和凹面光柵單色儀（底部）都旋轉(zhuǎn)光柵，以?huà)呙璐┻^(guò)出射狹縫的衍射級(jí)，并精確確定哪些波長(zhǎng)可以離開(kāi)設(shè)備。

光譜儀

光譜儀就像單色儀一樣從寬帶光源中分離波長(zhǎng)，但它們沒(méi)有移動(dòng)部件。相反，所有分離的波長(zhǎng)在探測(cè)器陣列上同時(shí)成像（圖6）。每個(gè)波長(zhǎng)被成像到一組不同的像素，允許設(shè)備確定寬帶光源中存在的每個(gè)波長(zhǎng)的量。當(dāng)需要快速分析光譜時(shí)，通常使用光譜儀，因?yàn)橥ㄟ^(guò)消除在檢測(cè)器上掃描不同波長(zhǎng)的需要而節(jié)省了時(shí)間。

圖6：平面光柵光譜儀（頂部）和凹面光柵光譜儀（底部）都使用固定光柵將入射波長(zhǎng)分離到探測(cè)器陣列上的不同像素中。

激光調(diào)諧

有幾種不同的方法可以使用衍射光柵來(lái)調(diào)諧激光器的光譜輸出或使輸出波段變窄。光柵可以旋轉(zhuǎn)，使得激光輸出僅為某一衍射級(jí)，當(dāng)反射鏡旋轉(zhuǎn)以過(guò)濾輸出波段時(shí)，光柵可以是固定的，并且光柵可以代替激光器中的反射鏡以使輸出波段更窄（圖7）。

圖7：這三種設(shè)置顯示了光柵可用于調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)或縮小輸出波長(zhǎng)范圍的不同方式。

激光脈沖壓縮、拉伸和放大

具有短脈沖持續(xù)時(shí)間的激光脈沖，如來(lái)自超快激光器的激光脈沖，通常具有高峰值功率，這會(huì)損壞敏感的光學(xué)涂層和元件。為了避免這種情況，有時(shí)會(huì)使用一對(duì)衍射光柵來(lái)延長(zhǎng)脈沖，從而增加其脈沖持續(xù)時(shí)間并降低其峰值功率。然后，該展寬的脈沖可以通過(guò)光放大器，并在不損壞任何光學(xué)元件的情況下增加其功率。然后，反向配置的另一個(gè)光柵對(duì)可以在放大器之后壓縮脈沖持續(xù)時(shí)間，從而在目標(biāo)處產(chǎn)生短的高功率脈沖（圖8）。

圖8：光柵可用于脈沖激光系統(tǒng)中，既可增加脈沖持續(xù)時(shí)間以防止系統(tǒng)中的激光誘導(dǎo)損傷，又可減少脈沖持續(xù)時(shí)間在靶處產(chǎn)生高功率脈沖。