衍射光柵用于在空間上將不同波長光分開，典型的衍射光柵包含一個光學(xué)材料基底，基底表面刻有或復(fù)制有大量平行凹槽，同時還鍍有反射材料（如鋁）。本文將詳細(xì)介紹衍射光柵的相關(guān)知識。

衍射光柵的原理

衍射光柵是一種在傳統(tǒng)的光學(xué)表面上疊加了精細(xì)凹槽結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，它可以是透射式的，也可以是反射式的，凹槽具備周期性的結(jié)構(gòu)，如下圖所示： 

上圖中，d 是凹槽之間的間距，通常情況下，間距 d 的大小與光束的波長近似。

當(dāng)光束照射到光柵表面時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象，這樣在每個凹槽位置都會形成次級波源，這些次級波源發(fā)出的光波會以球面波的形式向四周傳播，如下圖所示：

在特定的方位上，由次級波源發(fā)出的光會發(fā)生干涉現(xiàn)象，在有的方向上干涉疊加，光束能量很強(qiáng)，在有的方向干涉抵消，光束能量很弱，對于能量強(qiáng)的光束，我們將其劃分為若干的衍射級次，例如0級、1級、2級、3級等衍射光。因此，光柵的主要功能就是將入射光束分離成若干個不同能量的光束出來，它常用在單色儀、光譜儀等光譜分析設(shè)備中。

衍射光柵產(chǎn)品，有兩個關(guān)鍵的特性參數(shù)，一個是凹槽的圖案，它的圖案可以是等間隔的直線，也可以是不等間隔的曲線。另一個特性參數(shù)是凹槽的輪廓，它的輪廓形狀可以是三角形、正弦曲線或者梯形，不同的輪廓形狀可以實現(xiàn)不同的分光功能，凹槽輪廓的高度和間距也很關(guān)鍵，根據(jù)使用場景的不同，凹槽的高度從幾納米到幾微米分布，凹槽的間距是以在1 mm長度內(nèi)的周期數(shù)來定義，通�？梢杂�30個到8000多個凹槽周期。

衍射光柵的制作方法

根據(jù)制作方法的不同，光柵可以分為刻線光柵和全息光柵兩種類型。

刻線光柵，是采用末端非常尖的金剛石刀具在元件表面一根根的刻線而制作成的光柵，如下圖所示，鍍膜后的基片沿著一個方向步進(jìn)，步進(jìn)的間隔就是凹槽的周期，而金剛石刀具則重復(fù)著在與基片行進(jìn)方向垂直的方向上做刻劃：

刻線光柵的凹槽形狀取決于金剛石刀具的形狀，通常為三角形，它具備衍射效率高的特點。刀具刻劃一條槽通常需要幾秒鐘的時間，當(dāng)要制備的光柵面積較大時，整個光柵的刻劃就需要幾天甚至幾周的時間，制備效率較低。

全息光柵是基于激光干涉圖曝光的原理制備而成，其原理如下圖所示：

激光器發(fā)出的光束經(jīng)由分光鏡分成 2 束，2 束光分別經(jīng)過反射鏡和顯微物鏡后，照射到光柵基底上，形成干涉條紋，基底上涂有光刻膠，光刻膠被曝光后，可以記錄干涉條紋的圖案，再經(jīng)過顯影工序，可以得到凹槽圖案。因為干涉條紋是正弦曲線分布，因此該制備方法形成的凹槽也是正弦曲線形狀的。因為是采用光學(xué)曝光的方法形成的凹槽，因此該方法通過一次曝光就能在基底得到整個圖案，制備效率高。

Newport 的光柵及其應(yīng)用

Newport 光柵產(chǎn)品傳承自著名的 Richardson Gratings 品牌，已經(jīng)有數(shù)十年的光柵制備經(jīng)驗，根據(jù)客戶的需求，通常首先設(shè)計并制備一塊母光柵，然后利用光柵復(fù)刻技術(shù)，以母光柵為原型，批量復(fù)刻出保真度高，一致性好的光柵產(chǎn)品。

光柵的基底材料可以是 BK7、ULE（超低膨脹玻璃）等光學(xué)玻璃，也可以是鋁、銅等金屬材料。光柵基底上需要鍍膜，當(dāng)用作透射光柵時，基底鍍膜通常用氟化鎂、二氧化硅等鍍膜材料，當(dāng)用作反射光柵時，需要鍍鋁、金或者銀反射膜。

Newport 的光柵產(chǎn)品包括平面光柵、凹面光柵和階梯光柵等種類。平面光柵的尺寸最小為 2 mm×2 mm，最大為 320×420 mm，可以在每毫米間距內(nèi)制作 30 到 5800 個凹槽，凹槽形狀為三角形或正弦形。凹面光柵是在凹球面基底上制備而成，光柵尺寸最大可達(dá) 100 mm，凹槽特征尺寸為每毫米 200~3600個。凹面光柵可以在分光的同時，實現(xiàn)光束的匯聚和像質(zhì)的優(yōu)化，從而可以使得儀器設(shè)備更加小巧和緊湊。階梯光柵的凹槽間距很寬，在 1 mm間距內(nèi)包含 13~300 個凹槽，可以將幾塊光柵拼接起來，用在地基天文望遠(yuǎn)鏡的高分辨率光譜儀等場合，用于類地球系外行星的探測。

在光柵制備中，Newport 采用先進(jìn)的檢測技術(shù)來對光柵的指標(biāo)做測試，包括對各衍射級次的衍射效率的測試、對凹槽的高度、間距、傾斜角等指標(biāo)的測試和表征等。同時，在產(chǎn)品制作完成后，需要對它的分辨率、鬼像、雜散光、波前質(zhì)量、光譜純度等應(yīng)用指標(biāo)開展檢測和評估，以滿足實際使用性能的要求。

轉(zhuǎn)自：MKS 光電解決方案

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