发布时间：2025/2/13 16:02:47 发布者：恒洋光学-Chen 阅读次数：406
| 衍射光栅背景和技术 | ||
| 光栅是在镀有反射膜的基片上，由一系列等距平行刻线组成的光学器件。邻近刻线的距离以及刻线相对于基底的角度会影响光栅的色散和效率。如果入射波长远大于刻线间距，就不会发生衍射现象。如果入射波长远小于刻线间距，光栅刻面只能对入射光进行反射，衍射现象也不发生。 根据光栅刻线的成型方式可以将光栅分为两种基本类型，全息光栅和刻划光栅。刻线光栅由钻石刀头的刻划机在反射表面刻出而成。由激光形成干涉条纹和光刻工艺生产的光栅叫做干涉或者全息光栅。 |
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| 光栅方程式 | ||
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| 光栅刻划过程 | ||
| 制作原始或者母光栅的初始步骤是对基底材料的选择，通常为玻璃或者铜。将基底材料抛光至高平整度并对其镀一层很薄的铝膜。刻划平行度和刻线的等距需要漫长的时间进行调整，可能需要花费几天进行设置并在实际刻划之前进行测试。刻划机必须能够在每次刻划后让钻石刀头按精确路线折回，并按预定量对基底进行刻划。刻线的平行度和位移必须精确控制。对刻划要有一系列的测试，对光栅的效率，刻线外形和杂散光要进行检查。每次测试后，可能需要一个小的机械调整。为了优化刻线外形以达到特定的光学特性，可能需要一周或者更长时间进行重复测试。经过彻底测试后，才能在一块大的基板上刻划原始光栅。原始光栅非常昂贵，所以在复制光栅开发出来之前，光栅只能有限使用。 |
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| 全息光栅制作 | ||
| 类似于刻划光栅，全息光栅生产的第一步也要选择合适的基底。不同于刻划光栅镀有反射膜，全息光栅基底镀有光敏材料。将有光敏材料涂层的基板置于由激光器产生的单色光和相干光束组成的相交光束之间，使光敏材料感光。相交激光束产生一系列平行且等距的干涉条纹，条纹强度按照正弦曲线形状变化。干涉条纹显示了光敏材料的差异。由于光敏材料的溶解度由对其照射的光强决定，干涉条纹显示了光敏材料表面不同光强。然后可以对基底镀反射膜然后用与复制刻划的原始光栅相同的过程用于复制。由于全息光栅由光学方法生产，其刻线形状以及刻线间距是完全一致的。所以，全息光栅没有周期性和随机性间隔误差，也就没有刻划光栅“鬼线”和杂散光。其结果是，全息光栅产生的杂散光远少于刻划光栅。 |
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| 衍射效率 | ||
| 影响光栅效率的主要因素有：刻线形状，入射角度和膜层的反射率。 光栅的绝对效率是衍射到某衍射级入射单色光的百分比。相比之下，相对效率是衍射到某衍射级的能量与衍射到与光栅有相同膜层平面反射镜的能量对比。当对比光栅的性能曲线时，牢记这一点很重要。对于相同的光栅，相对效率曲线显示的效率往往高于绝对效率曲线。本文涉及的效率曲线均为绝对效率数据。 入射角对光栅性能有影响。由于光栅结构可以有无数种，可以用一种标准几何结构用于光栅计算。这就是 Littrow(或自准直)结构。在这种准直结构中，衍射阶次和所感兴趣的波长可以沿着入射光路线直接原路返回（i=i’）。刻划光栅的闪耀角基于该结构计算得出。这种结构对于激光调谐应用具有实用性和必要性，但是大多数应用需要在入射光束和衍射光束之间有一些偏移。除了对最大可响应波长有影响，Littrow 结构中小的偏移很少会对光栅性能有实质性的影响。除非特别说明，本文中所有性能曲线均为 Littrow 结构中的一级衍射数据。 |
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| 闪耀角和闪耀波长 | ||
| 刻划光栅的刻槽为一边比另一边长的锯齿形。刻槽长边与光栅平面的夹角为闪耀角。改变闪耀角可以将衍射光指向到光谱的一个特定区域，增加光栅在该区域的效率。衍射效率最高的波长即为闪耀波长。 由于全息光栅不容易产生通常意义上的闪耀，所以全息光栅的效率通常低于刻划光栅。在某些情况下，全息光栅正弦形状的改变可以使其接近刻划光栅的效率。有些特殊情况需要注意，比如：当槽间距与波长比接近 1 时，正弦光栅的效率几乎与刻划光栅效率相同。一个 1800 刻线/mm 全息光栅在 500nm 闪耀波长和刻划光栅拥有相同的效率。 |
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| 分辨能力 | ||
| 光栅的分辨能力取决于光栅工作时的衍射阶次和入射光可辐射范围内的光栅刻线数。它也能由光栅的宽度、刻线间隔和衍射角来体现。一个有 N 条刻线的衍射光栅的“理论分辨能力”为：
λ/∆λ=Nn 光栅的实际分辨能力取决于其刻划精度。精度能达到理论值的 80-90%，即可称为高品质刻划。分辨能力是光栅的一个性能参数。分辨能力与分辨率不同，分辨率依赖于工作时系统的光学和机械特性。 |
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| 系统分辨率 | ||
| 一个光学系统的分辨率往往取决定于按瑞利判据（R=λ/∆λ）所能测得或甄别出的最近相邻吸收和辐射谱线的能力。它不仅取决于光栅的分辨能力，同时还取决于焦距、狭缝尺寸、f 数和所有元件的表面光洁度及系统的准直度。一个光学系统的分辨率通常要低于光栅的分辨能力。 |
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| 色散 | ||
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光栅的角色散由入射角与刻线间距决定。通过增大入射角或减小刻线间距，均可增大角色散。在一个紧凑的光学系统中，使用角色散大的光栅可以获得良好的分辨率。角色散为曲线 λ= f(i)的斜率。在自准直仪中，色散方程式为： dλ λ 该公式可以用来判断光栅中两个谱线分开的角度或者在给定角度的情况下的带宽。 |
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| 衍射阶次 | ||
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| 自由光谱范围 | ||
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| 鬼线和杂散光 | ||
| 鬼线的定义:由于槽间距的周期性误差而产生的假谱线。干涉控制的刻线机可以减少鬼线的出现，而全息过程则可以消除鬼线。刻划光栅的杂散光源于随机误差和反射表面的不规则。而全息光栅产生的杂散光很少，这是因为全息光栅利用相干光束在感光材料上产生干涉条 纹的过程不受机械不规则和不一致影响。 |
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| 镀膜 | ||
| 用于紫外，可见和红外的光栅复制的时候采用铝膜。因为铝的抗氧化能力和对紫外光的反 射率都比银更强。除了 750~900nm 反射率大约为 85%，从 200nm 到远红外的范围内， 铝的反射率都超过 90%。如果在近红外波段要求最大的反射率，或者用于光纤方面的应用， 铝层上会再镀金。虽然金很软，但是金的抗氧化能力很高，并且在近红外波段的反射率超 过 96%， 2 微米以上波段的反射率超过 98%。在 600nm 以下波段，金的反射率的大幅下降，因此，不推荐其应用在可见和紫外波段。 | ||
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| 选择一款标准光栅需要考虑跟光栅应用相关的几个变量 |
| 1.效率 |
| 一般来说，刻划光栅的效率高于全息光栅。例如荧光激发和其他辐射诱发的应用可 以采用刻划光栅（参考两种光栅的效率对比）。从经验来看，在闪耀波长的 2/3 和 3/2 处， 刻划光栅的一阶效率会下降 50%。 |
| 2.闪耀波长 |
| 刻划光栅由于其锯齿凹槽轮廓，会在其闪耀波长附近有一个相对尖锐的波峰，而全息光栅则有更为平坦的光谱响应。因此，窄波段范围为中心的应用更受益于刻线光栅在该波段的闪耀。 |
| 3.波长范围 |
| 光栅覆盖的光谱范围由其刻线间距决定。具有相同光栅常数的刻划光栅和全息光栅，其光谱范围是相同的。光栅可以衍射的最大波长等同于该光栅周期 2 倍，在入射光和衍射光与光栅法线成 90° 时可以获得最大衍射波长。刻划光栅由于其锯齿凹槽轮廓，会在其闪耀波长附近有一个相对尖锐的波峰，而全息光栅则有更为平坦的光谱响应。因此，窄波段范围为中心的应用更受益于刻线光栅在该波段的闪耀。 |
| 4.杂散光 |
| 对于诸如拉曼光谱这样的应用，信噪比对其至关重要。可以选择具有低杂散光优势的全息光栅。 |
| 5.分辨能力 |
| 对于具有完全相同刻线间距的全息和刻划光栅，他们的分辨能力没有差别。全息光栅的刻线密度可以达到 3600 刻线/mm，而刻划光栅的刻线密度不会超过 1200l/mm。 |
| 6.触摸光栅 |
| 标准光栅表面镀有铝膜或金膜，触摸时需要极度小心。只允许触摸其边缘。指纹和各种气雾会对光栅镀膜造成损坏。微小的划痕或者表面瑕疵通常不会影响其光学性能。如需对光栅进行清洁，请首先进行咨询。 |
| 7.矩形/刻线方向 |
| 除非另有说明，小尺寸光栅由矩形光栅沿与刻槽平行的线切割获得。库存标准产品中刻线与光栅边缘平行度为 ±0.5° |
| 8.损伤阈值 |
| 金属膜层再镀保护膜的光栅没有最低限度损伤阈值。 |
| 9.标准复制光栅 |
| 脉冲：350 mJ/cm2 @ 200 n sec. CW：40 watts/cm2 |
| 10.P型复制光栅：(脉冲) |
| 脉冲：3.5J/cm2 @ 200 n sec. CW：80 watts/cm2 |
| 11.CW型复制光栅 (用于连续高功率应用) |
| 脉冲：3.5J/cm2 @ 200 n sec. CW：250 watts/cm2 |
