衍射光柵教程

衍射光柵教程

光柵教程

簡介

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(hui) 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(wei) 波長和狹縫位置的函數，我們(men) 得到一個(ge) 一般表達式，適用於(yu) = 0°時所有的衍射光柵：

(1

此方程稱為(wei) 光柵方程。方程表明，根據λ值，間距為(wei) 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(yu) 衍射光柵的表麵測量的出射角。從(cong) 方程1容易看出，對於(yu) 給定級次，不同波長的光將會(hui) 以不同的角度從(cong) 光柵出射。對於(yu) 白光光源，這相當於(yu) 與(yu) 角度相關(guan) 的連續光譜。

圖1.
透射光柵

透射光柵

一種常見的光柵類型是透射式光柵。圖1是一個(ge) 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(wei) 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(wei) 的光從(cong) 光柵出射的角度為(wei) ，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(guan) 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(yu) 光柵表麵法線的兩(liang) 側(ce) ，則和都為(wei) 正值，如圖1所示。如果它們(men) 在光柵法線的相同一側(ce) ，則必須視為(wei) 負值。

圖2.
反射光柵

反射光柵

另一種十分常見的衍射雷竞技竞彩底金是反射式光柵。反射式光柵一般是先將金屬膜沉積在雷竞技竞彩底金上，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(wei) 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(liang) 側(ce) ，則為(wei) 正值，為(wei) 負值，如圖2中示例所示。如果這兩(liang) 束光在光柵法線的相同一側(ce) ，那麽(me) 它們(men) 的角度都視為(wei) 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(wei) 表麵反射或透射。在這種情況下，
=
，那麽(me) 方程2的唯/一解為(wei) =0，與(yu) 波長或衍射光柵間距都無關(guan) 。在這種條件下，無法獲取任何與(yu) 波長相關(guan) 的信息，並且所有的光都在表麵反射或透射。

這個(ge) 問題可以通過創造一個(ge) 能夠產(chan) 生不同表麵反射幾何形狀的重複表麵圖樣來解決(jue) 。這種類型的衍射光柵通稱為(wei) 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。

閃耀(刻劃)光柵

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(wei) 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(chan) 生最大光柵效率。也就是說，大部分光功率將會(hui) 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(yu) 這種設計特性，閃耀光柵會(hui) 在某一特定波長下工作，這種波長也稱為(wei) 閃耀波長。

閃耀波長是閃耀光柵的三個(ge) 主要特點之一。如圖3所示，另外兩(liang) 個(ge) 特點是刻槽或刻麵間距和閃耀角。閃耀角是表麵結構與(yu) 表麵平行線之間的夾角，同時也是表麵法線與(yu) 刻麵法線之間的夾角。

閃耀光柵具有與(yu) 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(jue) 於(yu) 光柵的表麵法線。但是，明顯的差異在於(yu) 鏡麵反射的幾何形狀取決(jue) 於(yu) 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的唯/一解為(wei)
= –。這就類似於(yu) 平坦表麵的鏡麵反射。

圖6.
閃耀光柵，入射光垂直於(yu) 光柵表麵

圖5.
閃耀光柵，刻麵的鏡麵反射

但是由於(yu) 表麵結構不同，閃耀光柵的鏡麵反射不同於(yu) 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(nei) 。如果這個(ge) 角與(yu) 在光柵表麵法線的相同側(ce) ，那麽(me) 這個(ge) 角為(wei) 負值。進行一些簡單的幾何轉換後，可以發現

(4)   

圖6為(wei) = 0°時的特殊情況，此時入射光束垂直於(yu) 光柵表麵。在這種條件下，0級反射也是0°。 利用方程3和4，我們(men) 可以在兩(liang) 倍閃耀角時得出光柵方程：

(5)   

用於(yu) 反射光柵的Littrow配置

Littrow結構是指閃耀光柵的一種特定幾何形狀，在單色儀(yi) 和光譜儀(yi) 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(jue) 於(yu) *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(yu) 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(yu) 法線入射光，與(yu) 波長相關(guan) 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(hui) 有兩(liang) 個(ge) 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(yi) 為(wei) ：

(8)   

其中，為(wei) 中心波長，為(wei) 級次。

采用高級次衍射圖案所產(chan) 生的第一個(ge) 問題可以通過使用階梯光柵解決(jue) ，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(ge) 問題可以通過使用另一雷竞技竞彩底金解決(jue) ：可以是光柵、色散棱鏡或其它色散雷竞技竞彩底金，以在階梯光柵之後選出波長/級次。

圖8.
體(ti) 相位全息光柵

體(ti) 相位全息透射光柵

和傳(chuan) 統光柵不同的是，體(ti) 相位全息(VPH)光柵沒有表麵凹槽。VPH光柵由夾在兩(liang) 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(yu) 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(ge) 問題是偏振相關(guan) 損耗。這些*的透射光柵在寬帶寬範圍內(nei) 提供高峰值效率的一級衍射、低偏振相關(guan) 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(wei) 的平行線。透射光柵的條紋平麵垂直於(yu) 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(jue) 定性能的三個(ge) 主要因素是薄膜厚度、塊體(ti) 折射率(布拉格平麵之間的平均折射率)以及折射率調製(兩(liang) 布拉格平麵之間的折射率差)。入射光以角進入光柵，從(cong) 表麵法線測量。級衍射光以角輸出光柵，以表麵發現為(wei) 參考。上麵介紹的光柵方程可用於(yu) 計算體(ti) 相位全息光柵的衍射角，因為(wei) 色散和線密度有關(guan) 。光柵質量取決(jue) 於(yu) 條紋對比度、條紋對比度差將導致低效率或*沒有光柵效應。

DCG薄膜製備要通過多個(ge) 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(liang) 片玻璃之間，防止材料降解。因為(wei) DCG薄膜被夾在兩(liang) 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(shang) 的光柵更方便維護。

圖9.
全息光柵

全息表麵反射光柵

雖然閃耀光柵在設計波長下效率很高，但是它們(men) 存在周期性誤差，比如重影以及相對較多的散射光，從(cong) 而可能對敏感測量產(chan) 生負麵影響。而全息光柵經過專(zhuan) 門設計，減少或消除了這些誤差。全息光柵對比於(yu) 閃耀光柵的缺點是效率降低了。

全息光柵以底版光柵為(wei) 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(liang) 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(ge) 示例。

請注意，色散單純是基於(yu) 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(liang) 種透射光柵：刻劃光柵和體(ti) 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(cong) 母光柵通過複製過程製備。我們(men) 的體(ti) 相位全息衍射光柵由夾在兩(liang) 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(xie) 入DCG薄膜的正弦波衍射圖案。更多信息，請看光柵教程標簽。

反射光柵

反射式光柵母版一般是先將金屬膜沉積在雷竞技竞彩底金上，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(wei) 原料，根據母版模型壓印製造，這個(ge) 過程稱為(wei) 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(wei) 閃耀，而我們(men) 的反射式全息衍射光柵呈現正弦輪廓。

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(men) 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(yu) 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(chan) 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(guan) 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(liang) 個(ge) 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；當第一個(ge) 波長的極大值與(yu) 第二個(ge) 波長的極小值相同時，兩(liang) 個(ge) 波長是可以分辨的。色差分辨力(R)定義(yi) 為(wei) 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(guan) 於(yu) 光柵以及根據應用選擇合適光柵的更多信息，請看我們(men) 的光柵教程。

注意:
衍射光柵的表麵與(yu) 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(shang) 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(hui) 影響性能，而且不視為(wei) 缺陷。