关于衍射光栅

关于衍射光栅

衍射光栅是各种应用中的关键光学元件，包括光谱仪、其他分析仪器、电信和激光系统。光栅包含一个微观和周期性的凹槽结构，通过衍射将入射光分成多个光束路径，使不同波长的光在不同方向传播。这使得衍射光栅的功能类似于色散棱镜，尽管棱镜通过波长相关的折射而不是衍射来分离波长（图1）。

图1：色散棱镜通过折射分离波长（顶部），而衍射光栅由于其表面结构而通过衍射分离波长（底部）。

入射到光栅上的光按照光栅方程被衍射：

m是描述衍射（或光谱）级的整数值，λ是光的波长，d是光栅上凹槽之间的间距，α是光的入射角，β是离开光栅的光的衍射角。不同衍射波前的相长干涉发生在波长的整数倍处，这就是“ m "出现在等式1中的原因。m定义衍射级，其中衍射角m=1被认为是“第一级"衍射，m=2被认为是“第二级"衍射，等等（图2）。如果m=0，则根据光栅是反射光栅还是透射光栅，光直接从光栅反射或透射通过光栅，并且该光被认为是“ 0级"衍射。与色散棱镜相反，较低的波长总是更接近直接反射或透射光，在这种情况下为0级。不同的指令之间会有一些重叠。所有角度都是从光栅垂直入射（垂直于光栅）开始测量的。

图2：虽然一些光直接从该光栅反射为“ 0级"衍射，但入射光的其他部分根据波长被衍射为1级角度。较小量的入射光也将在较高角度处被分离成较大的第二级和第三级。

光栅的凹槽图案或凹槽之间的间距（d）决定了不同级衍射的角度。在一些情况下，凹槽间距可以被设计成对于跨越部件的不同衍射水平而跨越光栅变化。另一方面，光栅的凹槽轮廓描述了它们的形状，并确定有多少光被衍射，以及有多少光被光栅反射或透射。效率图表用于表征在每个波长下将被衍射的光的百分比。对于不同的偏振状态，效率将是唯/一的，因此效率图表通常显示s-和p-偏振的不同曲线。通常将金属或电介质涂层添加到光栅上，以使其具有反射性和/或提高效率。

在选择光栅时，您应该注意什么？

当选择光栅时，重要的是指/定波长范围、闪耀波长（其是衍射光谱中具有最/高/效率的波长）和闪耀角。闪耀角描述了闪耀波长的第一级衍射角。在该角度下，等式1中的α和β相等，并且入射光在其来自的完/全相同的方向上被衍射回来。这种情况也称为利特罗配置。在系统中接近该角度导致最大效率。

通常指/定凹槽密度或频率，并且这是凹槽间距（d）的倒数。光学系统的关键特性是其色散水平，但这取决于光栅的特性及其使用方式。在不知道其他系统细节的情况下，不能给出光栅本身的规格，该规格详细说明特定量的旋转如何与特定的波长间隔相对应。还可以指/定光栅的分辨能力，这与系统的光谱分辨率有关。然而，该分辨率取决于光栅和系统的入口和出口狭缝。光栅的分辨能力（R）取决于光谱级（M）和照明下的凹槽数量（N）：

(2)

在照明下通常有很多凹槽，以至于入口和出口狭缝是系统分辨率的限制因素，而不是光栅。效率曲线还可用于验证将在应用中使用的所有波长上的衍射水平。

光栅应该至少与入射光锥或光束一样大，否则来自边缘的光将会丢失。因此，光栅应始终填充不足，以防止杂散光在系统周围反弹并产生错误信号。

光栅的类型

反射光栅与透射光栅

衍射光栅的两个最/广泛的类别是反射光栅和透射光栅。图1和图2示出了反射光栅，其本质上是具有微观凹槽的反射镜。所有衍射级以不同角度反射离开光栅。透射光栅就像带有微观凹槽的透镜，所有衍射级都透过光栅，但按照公式1偏移角度。反射光栅通常也称为反射光栅，透射光栅也称为透射光栅。

刻线光栅与全息光栅

反射光栅和透射光栅都可以进一步分解为刻线光栅或全息光栅，其不同之处在于产生凹槽轮廓的方式。刻线光栅中的凹槽被机械刻写或切割成零件，而全息光栅中的凹槽被光学引入。在全息光栅中，一种称为光致抗蚀剂的光敏材料被沉积在基底上，并暴露于与光致抗蚀剂相互作用的光学干涉图案。然后使用化学物质去除剩余的光刻胶，留下光栅图案。规则光栅通常具有三角形凹槽，如图1所示，而全息光栅通常具有正弦凹槽（图3和4）。

图3：刻线衍射光栅通常以三角形凹槽为特征。

图4：全息衍射光栅通常以正弦凹槽为特征。

中阶梯光栅

与其他光栅相比，阶梯光栅具有较高的凹槽间距或较低的凹槽密度，通常约为10倍，但有时高达100倍。以高入射角（α）照射阶梯光栅将产生高色散、高分辨能力和高效率，且对偏振的依赖性较低。这些光栅非常适合需要高分辨率的情况，例如灵敏的天文仪器和追求原子分辨率的系统。

平面光栅与凹面光栅

所有上述光栅类型都可以再次分解为平面（或平面）和凹面光栅，这描述了它们的整体形状。平面光栅是平的，更常见。如果它们的槽是直的并且等距，光栅是平的，并且入射光是准直的，则所有的衍射光将被准直。这在许多应用中是有益的，因为系统的聚焦特性与波长无关。与凹面光栅相比，平面光栅通常还降低了系统的复杂性。凹面光栅是弯曲的，因此可以会聚或发散光线。这对于减少系统中所需的光学部件的总数是有用的，但是系统的聚焦特性将是波长相关的。

光栅应用

光栅用于各种不同的应用中，但常见的系统包括：

单色仪

单色仪使用凹面或平面光栅以及凹面镜来从入射光中选择窄波长带。如果白色光源入射到这些设备中的一个上，则它们可以滤除除预期的窄输出波段之外的所有波长。图5演示了单色仪如何旋转光栅，以便允许不同波长通过出射狭缝，而所有其他波长都被阻挡。

图5：平面光栅单色仪（顶部）和凹面光栅单色仪（底部）都旋转光栅，以扫描穿过出射狭缝的衍射级，并精确确定哪些波长可以离开设备。

光谱仪

光谱仪就像单色仪一样从宽带光源中分离波长，但它们没有移动部件。相反，所有分离的波长在探测器阵列上同时成像（图6）。每个波长被成像到一组不同的像素，允许设备确定宽带光源中存在的每个波长的量。当需要快速分析光谱时，通常使用光谱仪，因为通过消除在检测器上扫描不同波长的需要而节省了时间。

图6：平面光栅光谱仪（顶部）和凹面光栅光谱仪（底部）都使用固定光栅将入射波长分离到探测器阵列上的不同像素中。

激光调谐

有几种不同的方法可以使用衍射光栅来调谐激光器的光谱输出或使输出波段变窄。光栅可以旋转，使得激光输出仅为某一衍射级，当反射镜旋转以过滤输出波段时，光栅可以是固定的，并且光栅可以代替激光器中的反射镜以使输出波段更窄（图7）。

图7：这三种设置显示了光栅可用于调谐激光器输出波长或缩小输出波长范围的不同方式。

激光脉冲压缩、拉伸和放大

具有短脉冲持续时间的激光脉冲，如来自超快激光器的激光脉冲，通常具有高峰值功率，这会损坏敏感的光学涂层和元件。为了避免这种情况，有时会使用一对衍射光栅来延长脉冲，从而增加其脉冲持续时间并降低其峰值功率。然后，该展宽的脉冲可以通过光放大器，并在不损坏任何光学元件的情况下增加其功率。然后，反向配置的另一个光栅对可以在放大器之后压缩脉冲持续时间，从而在目标处产生短的高功率脉冲（图8）。

图8：光栅可用于脉冲激光系统中，既可增加脉冲持续时间以防止系统中的激光诱导损伤，又可减少脉冲持续时间在靶处产生高功率脉冲。