關于衍射光柵

關于衍射光柵

衍射光柵是各種應用中的關鍵光學元件，包括光譜儀、其他分析儀器、電信和激光系統。光柵包含一個微觀和周期性的凹槽結構，通過衍射將入射光分成多個光束路徑，使不同波長的光在不同方向傳播。這使得衍射光柵的功能類似于色散棱鏡，盡管棱鏡通過波長相關的折射而不是衍射來分離波長（圖1）。

圖1：色散棱鏡通過折射分離波長（頂部），而衍射光柵由于其表面結構而通過衍射分離波長（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）級的整數值，λ是光的波長，d是光柵上凹槽之間的間距，α是光的入射角，β是離開光柵的光的衍射角。不同衍射波前的相長干涉發生在波長的整數倍處，這就是“ m "出現在等式1中的原因。m定義衍射級，其中衍射角m=1被認為是“第一級"衍射，m=2被認為是“第二級"衍射，等等（圖2）。如果m=0，則根據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光柵，并且該光被認為是“ 0級"衍射。與色散棱鏡相反，較低的波長總是更接近直接反射或透射光，在這種情況下為0級。不同的指令之間會有一些重疊。所有角度都是從光柵垂直入射（垂直于光柵）開始測量的。

圖2：雖然一些光直接從該光柵反射為“ 0級"衍射，但入射光的其他部分根據波長被衍射為1級角度。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和第三級。

光柵的凹槽圖案或凹槽之間的間距（d）決定了不同級衍射的角度。在一些情況下，凹槽間距可以被設計成對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波長下將被衍射的光的百分比。對于不同的偏振狀態，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。通常將金屬或電介質涂層添加到光柵上，以使其具有反射性和/或提高效率。

在選擇光柵時，您應該注意什么？

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

通常指/定凹槽密度或頻率，并且這是凹槽間距（d）的倒數。光學系統的關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。在不知道其他系統細節的情況下，不能給出光柵本身的規格，該規格詳細說明特定量的旋轉如何與特定的波長間隔相對應。還可以指/定光柵的分辨能力，這與系統的光譜分辨率有關。然而，該分辨率取決于光柵和系統的入口和出口狹縫。光柵的分辨能力（R）取決于光譜級（M）和照明下的凹槽數量（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分辨率的限制因素，而不是光柵。效率曲線還可用于驗證將在應用中使用的所有波長上的衍射水平。

光柵應該至少與入射光錐或光束一樣大，否則來自邊緣的光將會丟失。因此，光柵應始終填充不足，以防止雜散光在系統周圍反彈并產生錯誤信號。

光柵的類型

反射光柵與透射光柵

衍射光柵的兩個最/廣泛的類別是反射光柵和透射光柵。圖1和圖2示出了反射光柵，其本質上是具有微觀凹槽的反射鏡。所有衍射級以不同角度反射離開光柵。透射光柵就像帶有微觀凹槽的透鏡，所有衍射級都透過光柵，但按照公式1偏移角度。反射光柵通常也稱為反射光柵，透射光柵也稱為透射光柵。

刻線光柵與全息光柵

反射光柵和透射光柵都可以進一步分解為刻線光柵或全息光柵，其不同之處在于產生凹槽輪廓的方式。刻線光柵中的凹槽被機械刻寫或切割成零件，而全息光柵中的凹槽被光學引入。在全息光柵中，一種稱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干涉圖案。然后使用化學物質去除剩余的光刻膠，留下光柵圖案。規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，但有時高達100倍。以高入射角（α）照射階梯光柵將產生高色散、高分辨能力和高效率，且對偏振的依賴性較低。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。

平面光柵與凹面光柵

所有上述光柵類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。如果它們的槽是直的并且等距，光柵是平的，并且入射光是準直的，則所有的衍射光將被準直。這在許多應用中是有益的，因為系統的聚焦特性與波長無關。與凹面光柵相比，平面光柵通常還降低了系統的復雜性。凹面光柵是彎曲的，因此可以會聚或發散光線。這對于減少系統中所需的光學部件的總數是有用的，但是系統的聚焦特性將是波長相關的。

光柵應用

光柵用于各種不同的應用中，但常見的系統包括：

單色儀

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

圖5：平面光柵單色儀（頂部）和凹面光柵單色儀（底部）都旋轉光柵，以掃描穿過出射狹縫的衍射級，并精確確定哪些波長可以離開設備。

光譜儀

光譜儀就像單色儀一樣從寬帶光源中分離波長，但它們沒有移動部件。相反，所有分離的波長在探測器陣列上同時成像（圖6）。每個波長被成像到一組不同的像素，允許設備確定寬帶光源中存在的每個波長的量。當需要快速分析光譜時，通常使用光譜儀，因為通過消除在檢測器上掃描不同波長的需要而節省了時間。

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分離到探測器陣列上的不同像素中。

激光調諧

有幾種不同的方法可以使用衍射光柵來調諧激光器的光譜輸出或使輸出波段變窄。光柵可以旋轉，使得激光輸出僅為某一衍射級，當反射鏡旋轉以過濾輸出波段時，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：這三種設置顯示了光柵可用于調諧激光器輸出波長或縮小輸出波長范圍的不同方式。

激光脈沖壓縮、拉伸和放大

具有短脈沖持續時間的激光脈沖，如來自超快激光器的激光脈沖，通常具有高峰值功率，這會損壞敏感的光學涂層和元件。為了避免這種情況，有時會使用一對衍射光柵來延長脈沖，從而增加其脈沖持續時間并降低其峰值功率。然后，該展寬的脈沖可以通過光放大器，并在不損壞任何光學元件的情況下增加其功率。然后，反向配置的另一個光柵對可以在放大器之后壓縮脈沖持續時間，從而在目標處產生短的高功率脈沖（圖8）。

圖8：光柵可用于脈沖激光系統中，既可增加脈沖持續時間以防止系統中的激光誘導損傷，又可減少脈沖持續時間在靶處產生高功率脈沖。