| 發布日期：2022-03-11 |
光柵教程
衍射光柵，不管是透射式或反射式，都能通過光柵中的重複結構分離不同波長的光。這種結構會影響入射光的振幅和/或相位，導致在出射光中發生幹涉。在透射式光柵中，這種重複結構可以看作是許多緊密排列的狹縫。求解照度作為波長和狹縫位置的函數，花季传媒下载安装得到一個一般表達式，適用於
= 0°時所有的衍射光柵：
(1
此方程稱為光柵方程。方程表明，根據
λ值，間距為
的光柵將光以離散的角度(
)偏轉，其中
是主極大級次。衍射角
是正交於衍射光柵的表麵測量的出射角。從方程1容易看出，對於給定級次
，不同波長的光將會以不同的角度從光柵出射。對於白光光源，這相當於與角度相關的連續光譜。
圖1.
透射光柵
一種常見的光柵類型是透射式光柵。圖1是一個透射式光柵的示例，它通過在透明基底上刻劃一係列重複的、且間距為
的窄凹槽製造而成。這種結構創造了光可以散射的區域。
光以角度
入射在光柵上，此角度根據入射表麵的法線測得。級次為
的光從光柵出射的角度為
，此角度是相對出射表麵的法線而言的。利用一些幾何轉換關係以及一般光柵方程(方程1)，可以得到透射式光柵的表達式：
(2) 
此處，如果入射光和衍射光分立於光柵表麵法線的兩側，則
和
都為正值，如圖1所示。如果它們在光柵法線的相同一側，則
必須視為負值。
圖2.
反射光柵
另一種十分常見的衍射光學元件是反射式光柵。反射式光柵一般是先將金屬膜沉積在光學元件上，再在表麵刻劃平行刻槽製造而成。反射式光柵也可以由環氧樹脂和/或塑料為原料，根據底版模型壓印製造。總歸，光在刻槽表麵以不同角度反射，對應不同的級次和波長。圖2是反射式光柵的示例。利用上述類似的幾何設置，可以得到反射式光柵的光柵方程：
(3) 
其中，如果入射光和衍射光在光柵表麵法線的兩側，則
為正值，
為負值，如圖2中示例所示。如果這兩束光在光柵法線的相同一側，那麽它們的角度都視為正值。
反射式光柵和透射式光柵的零級模式都不含衍射圖案，分別表現為表麵反射或透射。在這種情況下，
=
，那麽方程2的**解為
=0，與波長或衍射光柵間距都無關。在這種條件下，無法獲取任何與波長相關的信息，並且所有的光都在表麵反射或透射。
這個問題可以通過創造一個能夠產生不同表麵反射幾何形狀的重複表麵圖樣來解決。這種類型的衍射光柵通稱為閃耀光柵或刻線光柵。這種光柵的詳細介紹請看下麵的章節。
圖4.
閃耀光柵，0級反射
圖3.
閃耀光柵的幾何結構
閃耀光柵也稱為小階梯光柵(echelette grating)，是一種特殊形式的反射式或透射式衍射光柵，能夠在特定衍射級次產生**光柵效率。也就是說，大部分光功率將會在設計的衍射級次，同時盡量減少其它級次(尤其是零級)的功率。由於這種設計特性，閃耀光柵會在某一特定波長下工作，這種波長也稱為閃耀波長。
閃耀波長是閃耀光柵的三個主要特點之一。如圖3所示，另外兩個特點是刻槽或刻麵間距
和閃耀角
。閃耀角
是表麵結構與表麵平行線之間的夾角，同時也是表麵法線與刻麵法線之間的夾角。
閃耀光柵具有與上述透射式光柵和反射式光柵類似的幾何結構；入射角(
)和第
級反射角(
)取決於光柵的表麵法線。但是，明顯的差異在於鏡麵反射的幾何形狀取決於閃耀角
，而不是光柵表麵法線。這樣就可以隻通過改變衍射光柵的閃耀角來改變光柵效率。
圖4展現了閃耀光柵的0級反射。
= 0時，以
入射的光以
反射。方程3的**解為
= –
。這就類似於平坦表麵的鏡麵反射。
圖6.
閃耀光柵，入射光垂直於光柵表麵
圖5.
閃耀光柵，刻麵的鏡麵反射
但是由於表麵結構不同，閃耀光柵的鏡麵反射不同於平麵反射，如圖5所示。閃耀光柵的鏡麵反射角
出現在閃耀角的幾何結構內。如果這個角與
在光柵表麵法線的相同側，那麽這個角為負值。進行一些簡單的幾何轉換後，可以發現
(4) 
圖6為
= 0°時的特殊情況，此時入射光束垂直於光柵表麵。在這種條件下，0級反射也是0°。 利用方程3和4，花季传媒下载安装可以在兩倍閃耀角時得出光柵方程：
(5) 
Littrow結構是指閃耀光柵的一種特定幾何形狀，在單色儀和花季传媒网站链接免费中起著重要作用。
角時光柵效率最高。在這種結構中，入射光的角度和衍射光的角度相同，
=
，且
> 0，故
(6) 
圖7.
Littrow配置
Littrow構形角
取決於最強級(
= 1)、設計波長
和光柵間距
。顯然，在設計波長下Littrow構形角
等於閃耀角
。Thorlabs所有閃耀光柵的Littrow/閃耀角都可在光柵規格表中找到。
(7) 
由此觀察得出，對於法線入射光，與波長相關的角距隨著衍射級次的增大而增大(
= 0°時，
隨著
增大而增大)。使用高級次衍射圖案，而不使用低級次衍射圖案會有兩個主要缺點：(1)高級次時效率降低；(2)自由光譜範圍
減小，它定義為：
(8) 
其中，
為中心波長，
為級次。
采用高級次衍射圖案所產生的**個問題可以通過使用階梯光柵解決，這是一種特殊類型的刻線衍射光柵，閃耀角較大，刻槽密度相對較低。閃耀角大非常適合在高級次衍射模式中聚集能量。第二個問題可以通過使用另一光學元件解決：可以是光柵、色散棱鏡或其它色散光學元件，以在階梯光柵之後選出波長/級次。
圖8.
體相位全息光柵
和傳統光柵不同的是，體相位全息(VPH)光柵沒有表麵凹槽。VPH光柵由夾在兩片玻璃基底之間的重鉻酸鹽明膠(DCG)薄膜組成。這種VPH光柵設計用於減少閃耀光柵中可能發生的周期誤差。凹槽密度高的表麵光柵還有一個問題是偏振相關損耗。這些獨特的透射光柵在寬帶寬範圍內提供高峰值效率的一級衍射、低偏振相關損耗和均勻的性能。
所需的光柵圖案是一係列重複的、間距為
的平行線。透射光柵的條紋平麵垂直於玻璃平板平麵，如圖8所示，讓任何頻率的光都能通過平板。當入射光通過DCG薄膜時發生衍射。因此，決定性能的三個主要因素是薄膜厚度、塊體折射率(布拉格平麵之間的平均折射率)以及折射率調製(兩布拉格平麵之間的折射率差)。入射光以
角進入光柵，從表麵法線測量。
級衍射光以
角輸出光柵，以表麵發現為參考。上麵介紹的光柵方程可用於計算體相位全息光柵的衍射角，因為色散和線密度有關。光柵質量取決於條紋對比度、條紋對比度差將導致低效率或完全沒有光柵效應。
DCG薄膜製備要通過多個質量控製步驟，確保性能達到標準，然後切成需要的尺寸。薄膜要密封在兩片玻璃之間，防止材料降解。因為DCG薄膜被夾在兩片玻璃基底之間，因此VPH光柵具有高耐用性和長壽命，而且相比其它很容易受損傷的光柵更方便維護。
圖9.
全息光柵
雖然閃耀光柵在設計波長下效率很高，但是它們存在周期性誤差，比如重影以及相對較多的散射光，從而可能對敏感測量產生負麵影響。而全息光柵經過專門設計，減少或消除了這些誤差。全息光柵對比於閃耀光柵的缺點是效率降低了。
全息光柵以底版光柵為原料，經過類似刻線光柵的工藝製成。底版全息光柵通常通過將光敏材料曝光在兩束幹涉激光束下而製成。幹涉圖案在表麵上以周期性圖案出現，然後經過物理或化學處理顯現出正弦表麵圖案。圖9是全息光柵的一個示例。
請注意，色散單純是基於每毫米凹痕的數量，而不是凹痕的形狀。因此，可用相同的光柵方程來計算全息光柵以及閃耀光柵的角度。
光柵指南
透射光柵
Thorlabs提供兩種透射光柵：刻劃光柵和體相位全息光柵。透射式光柵通過在透明基底上刻劃重複且平行的結構製造而成，形成光可以散射的區域。這種光柵有鋸齒形衍射輪廓，使用環氧樹脂和/或塑料壓模從母光柵通過複製過程製備。花季传媒下载安装的體相位全息衍射光柵由夾在兩片玻璃基底之間的重鉻酸鹽明膠(DCG)薄膜組成。這種光柵具有使用激光裝置寫入DCG薄膜的正弦波衍射圖案。更多信息，請看光柵教程標簽。
刻劃衍射光柵 | |
| Thorlabs刻劃透射光柵在光柵背麵以固定角度將入射光散射。它們有刻線和閃耀角，在各自波長範圍內實現**效率，且對偏振不敏感，並在相同波長下的效率與反射式光柵的效率相當。它們非常適合需要固定光柵的應用，比如花季传媒网站链接免费。 |
體相位全息衍射光柵 | |
| Thorlabs體相位全息衍射光柵由夾在兩片玻璃基底之間的DCG薄膜組成。這些獨特的透射光柵方便維護，並在寬帶寬範圍內提供高峰值效率的一級衍射、低偏振相關損耗和均勻的性能。 |
反射光柵
反射式光柵母版一般是先將金屬膜沉積在光學元件上，再在表麵刻劃平行刻槽製造而成。Thorlabs的反射式光柵由環氧樹脂和/或塑料為原料，根據母版模型壓印製造，這個過程稱為複製。總歸，光在刻槽表麵以不同角度反射，對應不同的級次和波長。Thorlabs的所有刻線反射式衍射光柵都有鋸齒形輪廓，也稱為閃耀，而花季传媒下载安装的反射式全息衍射光柵呈現正弦輪廓。
刻劃衍射光柵 | |
| 刻線光柵有閃耀角，因此它們的效率比全息光柵高，非常適合中心波長在閃耀波長附近的應用。Thorlabs提供多種尺寸和閃耀角的刻線衍射光柵。 |
全息衍射光柵 | |
| 全息光柵比刻線光柵發生的周期性錯誤少，因此重影少。這些光柵雜散光少，非常適合信噪比關鍵的應用，比如拉曼花季传媒网站链接免费。 |
階梯衍射光柵 | |
| 階梯光柵是用於較高衍射級次的低周期光柵。它們通常與第二個光柵或棱鏡一起使用，從而分離出重疊的衍射級次。它們非常適合高分辨率光譜等應用。 |
選擇光柵需要考慮一些因素，下麵列出了其中的一些因素：
效率:
刻線光柵一般比全息光柵的效率高。全息光柵往往效率較低，但是有效波長範圍較寬。在熒光激發和其它輻射誘導反應等應用中，可能需要刻線光柵的效率。
閃耀波長:
刻線光柵通過連續蝕刻光柵基底材料的表麵而形成鋸齒形刻槽輪廓。因此，它們在閃耀波長附近具有明顯的峰值效率。全息光柵難以閃耀，並且有正弦形刻槽輪廓，在設計波長附近形成較弱的峰值效率。中心波長範圍較窄的應用可使用該波長下閃耀的刻線光柵。
雜散光:
由於製造刻槽的方法不同，全息光柵比刻線光柵的雜散光少。刻線光柵上的刻槽是一次刻一道，因此誤差頻率較高。而全息光柵是采用光刻工藝製成，能夠產生更加光滑且沒有工具痕的光柵母版。采用這樣的母版複製的光柵雜散光較少。諸如拉曼光譜等信噪比非常關鍵的應用，適合雜散光較少的全息光柵。
分辨力:
光柵的分辨力是衡量將兩個波長的光在空間分離的能力，通過將瑞利準則應用到衍射極大值來確定；當**個波長的極大值與第二個波長的極小值相同時，兩個波長是可以分辨的。色差分辨力(R)定義為R = λ/Δλ = n*N，其中，Δλ是可分辨的波長差異，n是衍射級次，N是被照射的刻痕數量。階梯光柵刻槽密度低，因此分辨力高。
關於光柵以及根據應用選擇合適光柵的更多信息，請看花季传媒下载安装的光柵教程。
注意:
衍射光柵的表麵與指紋、氣溶膠、水分或任何粗糙材料的輕微接觸都容易受到損壞。因此，隻應在必要時拿取光柵，並且隻能接觸邊緣。應該佩戴乳膠手套或類似的防護套，以防手指上的油汙接觸光柵表麵。溶劑可能損傷光柵表麵。除了用潔淨、幹燥的空氣或氮氣吹去光柵上的灰塵，其它任何操作都是不允許的。光柵表麵的刮痕或其它微小的表麵瑕疵不會影響性能，而且不視為缺陷。
而不是某些自動的垃圾注冊程序。 |
