12光栅的分光本领及闪耀光栅 [兼容模式]
光栅-PPT精品文档
8
干涉条纹主极大 的位置没有变化， 但主极大的强度 受到衍射的调制 而变化；并且出 现了亮纹缺级现 象。
d 例 . N = 4， a = 4
I单
I0 单 单缝衍射 sin 2 ( /a) 多缝干涉
-2
-1
0
1
I
I 光栅衍射 光强曲线 -8 -4 N2I0单
的情形
sin
0
主极大缺±4,±8级。
N=4 单缝衍射 d = 4a 轮廓线 缺级 sin 4 8 ( /d )
9
1.缺级现象分析： 当某衍射角θ方向既是多光束干涉的某一级主极 大，又是单缝衍射光强为零的方向时，此时在应 该干涉加强的位置没有衍射光到达，从而在光谱 中缺少这一级亮条纹的现象， 称为缺级现象。
即θ同时满足
d sin k a sin k
( 1 )由 d sin k 求出 sin ;
11
3.能观测到的谱线（主极大）
正入射：
max
d sin k
k max
d
应呈现2k +1条，减去缺极即能观测到的谱线
斜入射：
d (sin sin ) k
P
( 1 sin ) d k m ax
k 0 , 1 , 2 k 1 , 2 , 3
d k k k 1 , 2 , 3 a
可见，产生缺级的条件：d/a 为整数比。满足上 述条件时，某些级的条纹消失。 d/a=3,缺3，6，9…级；d/a=5/3,缺5，10，15 …级
10
2.谱线的位置
sin k / d
x ftg
f X
P
光栅的分光原理范文
光栅的分光原理范文光栅是一种具有周期性透明结构的光学元件，常见的光栅有光栅衍射光栅和光栅分光器。
光栅的分光原理是基于衍射效应，通过将入射的光束分散成不同波长的光束，从而实现光谱分析或色散。
光栅的周期性透明结构可以看作是一系列平行分布的透光区域和不透光区域，其中透光区域的宽度是光栅的周期。
当入射平行光线照射到光栅上时，光栅会对光进行衍射。
根据衍射理论，光波通过光栅时，可以分解成多个振幅和相位不同的衍射光束。
这些衍射光束成为不同的衍射级。
nλ = d(sinθi ± sinθr)其中，n是衍射级，λ是入射光的波长，d是光栅常数，θi是入射角度，θr是衍射角度，±表示正负号。
根据光栅衍射公式，不同波长的光束会被衍射到不同的角度上，从而实现光的分散。
在光栅衍射光栅中，光线通过光栅时发生衍射，从而在光栅的不同衍射级上产生一系列不同波长的光束。
这些光束经过收集和检测后形成光谱。
光谱的形状和强度分布可以用来分析入射光的波长和相对强度。
由于光栅的周期性结构，光栅的分辨率比普通光学元件高。
光栅衍射光谱具有高分辨率和较高的光谱光通量。
在光栅分光器中，光栅的作用是将入射的光束分散成不同波长的光束，并将这些光束聚焦到不同的位置上。
根据不同的波长和入射角度，可以将光栅分光器分为色散式和反射式两种类型。
色散式光栅分光器是通过将光栅放置在透镜后面，使不同波长的光束沿不同的角度通过透镜。
通过调整光栅的倾斜角度，可以改变光束的入射角度，从而实现不同波长的光束的分光效果。
反射式光栅分光器是通过将光栅放置在光路上，使光束在光栅上发生反射。
光栅上的反射效应将不同波长的光束反射到不同的方向上，从而实现分光效果。
反射式光栅分光器通常具有较高分辨率和灵敏度。
总结起来，光栅的分光原理是通过光栅的周期性结构和衍射效应，将入射的光束分散成不同波长的光束，从而实现光谱的分析、色散和分光。
光栅衍射公式描述了光栅分光的数学关系。
光栅分光器可以用于光谱分析、色散光学和其他光学应用中。
(光学)12.光栅PPT课件
2
A
A0
sin
.
7
单缝衍射的振幅和光强
.
8
多缝之间的光程差
缝平面G 透 镜
d
L
观察屏 P
o
dsin 焦距 f
L d sin 2d sin
.
9
多矢量叠加
| OBN | 2 | OC | sin(N )
| OC | A
2sin
2
E A sin(N / 2) sin( / 2)
多光束干涉因子I
18
单缝衍射因子和缺级
单缝衍射因子的作用：
（1）改变各主极大的光 强分配；
（2）产生缺级现象。
缺级：干涉极大与单缝 衍射零点重合
干涉主极大
d sin k , 2
k 0, 1, 2,
衍射零点
a sin n ,
n 1, 2, 3,
缺级条件：
kdn a
.
19
N=4, d=3a
2
N
2
,
2
2m ;
其它。
2m
主极大
次极大
或cot N cot N 且sin 0
2
2
2
或sin N 0 & sin 0
2
2
两个极大之间有N-2个
所有的零点（极小） （两极大间有N-1个）
2 (m n / N ), m 0, 1, 2,; n 1, 2, , N 1.
.
16
光栅光谱仪
光栅
光源准直
望远镜
构造：
1）准直部分——产生平行光 2）分光器件——光栅
.
24
光栅的色散本领
角色散本领：D
光栅的分光原理
光栅的分光原理一、光栅的基本简介光栅也称衍射光栅。
是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。
它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。
光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。
单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。
谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。
光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。
二、光栅的分光原理衍射光栅在屏幕上产生的光谱线的位置，可用式（a+b)(sinφ ± sinθ) = kλ表示。
此式即为光栅方程。
式中a代表狭缝宽度，b代表狭缝间距，φ为衍射角，θ为光的入射方向与光栅平面法线之间的夹角，k为明条纹光谱级数（k=0，±1，±2……），λ为波长，a+b称作光栅常数。
对于相同的光谱级数k，以同样的入射角θ投射到光栅上的不同波长λ1、λ2、λ2.....组成的缓和光，每种波长产生的干涉极大都位于不同的角度位置；即不同波长的衍射光以不同的衍射角φ出射。
这就说明，对于给定的光栅，不同波长的同一级主级大或次级大（构成同一级光栅光谱中的不同波长谱线）都不重合，而是按波长的次序顺序排列，形成一系列分立的谱线。
这样，混合在一起入射的各种不同波长的复合光，经光栅衍射后彼此被分开。
这就是衍射光栅的分光原理。
即:k=0 零级光谱φ与λ无关，即无分光用特点：强度最大，但无分光作用 k=±1 一级光谱λ短φ小，靠近零级光谱λ长φ大，远离零级光谱特点:强度大，用于分析测定实现分光k=±2 二级光谱同上特点：强度小，滤去，以免干扰测定。
光栅的分光本领及闪耀光栅
1、光栅的分光原理
光栅方程
正入射
d s in k， k 0 ,1 ,2 ,L
sink,k0,1,2,L
表示第k级谱 线的角位置
d
0级没有色散
k 一定时, , 不同颜色的主极大位置不同,形成光谱。
各种波长的同级谱线（主极强）集合起来构成光源的一套光谱
光栅光谱有许多级,
每一级是一套光谱 sin
dsin2bkkb
可通过闪耀角的设计b，使光栅适用于某一波长段 的某级光谱上
沿槽面法线n
b da
单槽面衍射的0级是几何光学 的反射方向,沿原方向返回
槽面间干涉决定色散主极强：
相邻槽面间的光程差
Ld(sinsinb)
n 满足
N
2dsinbkkb
光栅单槽面衍射0级主极强正好落在kb光波的K级谱线上
作业：3-27，3-28，3-30，3-31，3-32
k d cosk
光栅的角色散本领
D
k
D d cosk
光栅的线色散本领
l Dl
kf
Dl fD Dl d cosk
d，k，f
与光栅中衍射单元的总数N无关
3. 光栅的色分辨本领
的k级主极大
+的k级主极大
sin
sin k
d
瑞利判据
能够分辨两谱线的最小角间隔
即为某级谱线（主极大）半角宽度k
b
b
da
da
n
n
N
dsinbdsink
N
dsink
各槽面的反射率是相同的,相位光栅
b da
单槽面衍射的0级是几何光学 的反射方向,沿2b方向反射
光栅方程
dsink
闪耀光栅的应用
闪耀光栅的应用一． 闪耀光栅的基本原理：锯齿形槽面与光栅平面的夹角为θ0（闪耀角），锯齿形槽宽d（即刻槽周期）。
对于入射角为ϕ的平行光束A 来说，单槽衍射的中央主极大方向为槽面的反射方向B 。
其干涉主极大方向由光栅方程给出：根据几何关系，有： α、β是槽面的入射角与反射角，α=β 。
若B 方向就是第m级干涉主极大方向。
则：因而有： 这就是单槽衍射中央主极大方向同时又是第m 级干涉主极大方向所应满足的关系式。
若m 、λ、d 和入射角ϕ已知，即可确定角度θ0. 若入射光沿槽面法线方向入射，则光栅方程简化为：此为主闪耀条件，波长λM 称为该光栅的闪耀波长，m 是相应的闪耀级次，此时的闪耀方向即为光栅的闪耀角θ0的方向。
(sin sin ) 2sin cos 22d m d m θϕθϕθϕλλ+-+==即：00αθϕβθθ=-=-000 2 -=2θϕθθϕθθθϕα-=-+= 或：和02sin cos d m θαλ=02sin Md m θλ=二．闪耀光栅的应用：１.光栅单色仪精密光栅单色仪是扫描式发射光谱仪器的关键光学部件,同时也是一种光电一体化的分光仪器. 光栅单色仪利用闪耀光栅作为分光元件,将入射的复色光分解为分布于全波段的可供任意选择的光谱宽度很窄的单色光. 其突出的优点是波段的范围宽广,在全波段色散均匀,单色光的波长可以达到非常准确的程度.光栅单色仪的用途主要有两方面:一是从复色光源中提取单色光,二是测量复色光源的光谱. 单色仪的研究目的包括物质的辐射特性,光与物质的相互作用,物质的结构(原子、分子能级结构) ,遥远星体的温度、质量、运动速度和方向.它的应用范围非常广,可以用于采矿、冶金、石油、机器制造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空间物理(卫星观测)等等.单色仪由光源和照明系统、分光系统和接收系统三部分组成,如图由光源发出的复合光通过入射狭缝S1 照射到准直镜M1后,变成平行光束,再投射到光栅G上. 由光栅G色散后,经聚焦镜M2 成像在出射狭缝S2处. 当精密机械传动系统按一定方向转动光栅时,就可以在S2 处得到不同波长的单色光束. 光被光电倍增管接收,得到光强度信号。
闪耀光栅
m
-2
-1
0
1
2
基本原理
显微电镜下的闪耀光栅实物
基本原理——闪耀?
m
-2
-1
0
1
2
Na
Ng
槽面
光栅 平面
d
将包含光谱信息的光能量 集中在预定方向上，即某 一光谱级次上。
基本原理——光栅方程
Ng λb
Na
λ
γ
a d
槽面
γ
光栅面
任意衍射方向 d sin i sin m
衍射主极大方向 b i 2 2d sin cos( i) mb
λb λ2
垂直槽面入射 2d sin mb λ1
Na
Ng
θ1
γ
θ2
光谱范围：350nm~760nm，
槽面
取 λb=500nm
γ
光栅面
d
m 1
b 0.5m d (1 / 600) 103m
γ = 8.6°
应用举例
应用举例
2d sin mb
m=1, λb1=500nm m=2, λb2=250nm
闪耀光栅
基本原理 特性参数 应用举例
特性参数
闪耀方向 槽面衍射中央极大方向，即槽面的几何光学反射方向。
I
θ
闪耀方向
Na
Ng
槽面 光栅平面
特性参数
闪耀波长 出现在闪耀方向上的衍射波长
实际闪耀波长λb
λb
I
m
名义闪耀波长λB
λB
I
m=1
槽面
光栅 平面
θ
λb
Na
Ng
槽面
光栅 平面
12光栅的分光本领及闪耀光栅解析
作业：3-27，3-28，3-30，3-31，3-32
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d sin 2b kkb
可通过闪耀角的设计b，使光栅适用于某一波长段 的某级光谱上
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沿槽面法线n
b da
单槽面衍射的0级是几何光学 的反射方向,沿原方向返回
槽面间干涉决定色散主极强：
相邻槽面间的光程差
L d (sin sinb )
n 满足
N
2d sinb kkb
光栅单槽面衍射0级主极强正好落在kb光波的K级谱线上
光栅光谱仪
光谱仪性能的主要标志
一、色散本领 二、色分辨本领
光栅（衍射）光谱仪 F-P（干涉）光谱仪
一、色散本领
对于一定波长差的两谱线，在位置上分开的能力 （角间隔或在屏上的距离l有多大）
角色散本领 线色散本领
D
Dl
l
Dl fD
f —（光栅、F-P）后的透镜焦距 多用反射 ？
2
二、色分辨本领
色散本领只是反映光谱仪将两相近谱线的中心分离程度 但位置拉开并不等于可以分辨
能否分辨此两谱线还取决于每一谱线本身的宽度 光谱仪对波长附近的谱线能够分辨的最小波长差为，
波长与之比，定义为：色分辨本领 R
3
瑞利判据
不可分辨
刚可分辨
两亮纹中心的距离恰等于每一亮纹的半值宽度 刚可以分辨
4
光栅（衍射）光谱仪
1、光栅的分光原理
光栅方程
正入射 d sin k，k 0,1, 2,
sin k , k 0,1, 2,
d
0级没有色散
表示第k级谱 线的角位置
k 一定时, , 不同颜色的主极大位置不同,形成光谱。
各种波长的同级谱线（主极强）集合起来构成光源的一套光谱
6甲型光学第六章衍射光栅-2012解析
的光程差为
d
0 d sin(0 B )
d sin(0 B )
0 0 B 0
0 0 0
d[sin(0 B ) sin(0 B )] 0
衍射主极大的方向不是缝间干涉零级的方向
相邻闪耀面入射光之间的光程差
入射光与AD垂直，
A
0 法线与闪耀面垂直
d
B 0 D
BAD B 0 BD AB sin(B 0)
10
0
j0
6.1.4 双缝衍射，N=2
I
(
)
4I0
sin 2 u2
u
cos2
• 而杨氏干涉为
I
2 I 0 [1
cos( )]
2 I 0 [1
cos(2 d
sin )]
2I0 (1 cos 2 ) 4I0 cos2
当a 时，a sin 0
sin u 1 u
两者相等
杨氏干涉中，狭缝足够细，每一缝只
sin
N ( ) sin(N ) sin
N元干涉因子
光栅衍射的复振幅与强度
U~(P) U~( )N~( )
eikr0 KU (Q)
ei( N 1)
sin u
sin
N
f
u sin
I
(P)
I0
(
sin u
u
)2
(
sin N sin
)2
I0
a
KU~0 f
(Q)
2
满足近轴条件时，单个狭缝在像方焦点处的光强
• 闪耀光栅具有这种能力。
j=0 j=1 j=2
N=6,d=5a
• 光栅的衍射包括单元衍射和缝间干涉两部分。
光栅分光和棱镜分光原理-概述说明以及解释
光栅分光和棱镜分光原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容：光栅分光和棱镜分光是两种常见的光谱分析方法，用于将光线根据其波长进行分离。
在光学领域中，光谱分析是一项重要的技术，可以帮助我们了解物质的成分、结构以及性质。
光栅分光是一种利用光栅进行波长分离的方法。
光栅是由一系列平行的凹槽或凸棱构成的光学元件。
当平行入射的光线通过光栅时，不同波长的光线会因为光栅的衍射效应而发生不同程度的偏折。
通过调整观察光栅的位置和角度，可以实现对光的分散和波长测量。
光栅分光具有高分辨率、宽波长范围和较高的光谱纯度等优点，被广泛应用于天文学、光谱分析、化学和物理实验等领域。
与之相比，棱镜分光是一种利用棱镜的色散效应进行波长分离的方法。
棱镜是一种光学元件，通过其三角形的形状和光的不同折射率，使得光线会因为不同波长的光发生不同程度的偏折。
通过调整棱镜的位置和角度，可以实现对光的分散和波长测量。
棱镜分光具有结构简单、易于操作和较低的成本等优点，被广泛应用于实验室教学、光谱分析仪器等场合。
本文将详细讨论光栅分光和棱镜分光的原理、应用领域以及它们之间的比较。
通过对两种分光方法的深入了解，可以更好地选择和运用合适的分光技术，并为相关研究和实验提供参考和指导。
1.2文章结构文章结构文章分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分包括概述、文章结构和目的。
概述部分介绍了光栅分光和棱镜分光原理的主题，通过引起读者的兴趣和好奇心，引导读者进入文章的主题。
文章结构部分说明了本文的组织结构和主要内容，以及各个章节的目标和重点。
这样读者可以清楚地了解整篇文章的脉络和框架。
目的部分表明了本文撰写的目的和意义。
可以说明为什么研究光栅分光和棱镜分光原理的重要性，以及本文旨在解决的问题和提供的信息。
引言部分的主要目标是引导读者进入文章的主题，激发他们的兴趣和好奇心，同时明确告知本文的组织结构和目的，为接下来的正文部分做好铺垫。
文章结构部分是引言部分的一部分，通过详细说明各个章节的内容和目标，使读者对整篇文章的结构和内容有一个清晰的了解。
12-6O(∩-∩)O-解析
解决： 将衍射的极大方向变换到高级谱线（有色 散的谱线）上。
（二）闪耀光栅－平面反射光栅
特点：
刻槽面与光栅面不平行 两者间有一角度－闪耀角
功能：
使单个刻痕面衍射的中央极大与槽 面间干涉零级主极大分开，从而使 光能量从干涉零级转移并集中到某 一级光谱上去
刻划面法线
栅面法线
i i
光强度分布 最大的方向
I
I
0
(
sin
)2
衍射调制
[sin(N / 2)]2 sin( / 2)
2 d sin
谱线位置
2.光栅方程: d sin m由干涉项决定的。
光栅的色分辨本领 A mN
问题： m↑ A ↑受衍射调制 I↓ 没有色散的零级占了总能量的很大一部分
原因： 干涉的零级谱线与中央衍射极大重合
8
N d cos
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
212
6
则有：
d d
d cos
m
•
Nd cos
mN
因此：
A mN
光谱级次
光栅线数
光栅： m=1或2 ，N很大 法布里－珀罗标准具： N＝0.978， m很大
7
三、几种典型光栅
（一）平面光栅
1、光栅的光强分布
a sin
正弦光栅通过记录两束有一定 夹角的平面波的干涉图而得到
光栅的衍射强度分布＝单元的衍射因子× [sin(N / 2)]2 sin( / 2)
14
单元的衍射因子
E~s
C
d 2 d
~t (x1) exp(iklx1)dx1
2
闪耀光栅——精选推荐
闪耀光栅闪耀光栅blazed grating当光栅刻划成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即某一光谱级上。
从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀（blaze），这种光栅称为闪耀光栅。
在这样刻成的闪耀光栅中，起衍射作用的槽面是个光滑的平面，它与光栅的表面一夹角，称为闪耀角（blaze angle）。
最大光强度所对应的波长，称为闪耀波长（bl aze wavelength）。
通过闪耀角的设计，可以使光栅适用于某一特定波段的某一级光谱。
闪耀光栅的优点透射光栅有很大的缺点，主要是衍射图样中没有色散的零级主最大总是占总光能的很大一部分，其余光能分散在各级光谱中，而实际使用光栅时往往只利用它的某一级。
这对光栅的应用是很不利的。
闪耀光栅则实现了单缝衍射中央最大值的位置从没有色散的零级光谱转移到其他有色散的光谱级上。
CD光盘可以看作粗制的闪耀光栅。
第一章光学分析法引论-1.3 光谱法仪器背景知识三、光谱仪器组成：光源，单色器，样品容器，检测器(光电转换器、电子读出、数据处理及记录)。
• 光源对光源的要求：强度大(分析灵敏度高)、稳定(分析重现性好)。
*Laser=light amplification by stimulated emission of radiation2. 分光系统( monochromator, wavelength selector )定义：将由不同波长的“复合光”分开为一系列“单一”波长的“单色光”的器件。
理想的100% 的单色光是不可能达到的，实际上只能获得的是具有一定“纯度”的单色光，即该“单色光具有一定的宽度(有效带宽)。
有效带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越好。
构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。
1 )棱镜( Prism )：棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。
闪耀光栅闪耀光栅
2、极小 可以证明：在两个相邻主极大之间有N-1个 暗纹。 3、次极大 相邻两极小之间有一个次极大，相邻两主极 大间有N - 2个次极大；因亮度很小，一般可不 计。
在N很大时，光栅衍射的暗纹和次极大联成 一片，几乎无法分辨，形成一个暗区，把主极 大衬托的既细又明亮。
Littman结构半导体激光器的功率损耗：
光束的入射角过大会导致光栅衍射效率的下降，而且，Littman结构加 大了腔内损耗。故在相同的工作条件下，Littman结构输出功率要比Littrow 结构小很多。
Littrow和Littman两种结构半导体激光器的参数对比：
光栅反馈外腔激光器整体结构
(a)外腔半导体激光器的增益与损耗曲线 (b)没有加入外腔反馈时, 本征腔模谱 (c)外腔与内腔构成的复合腔的模谱 (d)加入外腔反馈时,外腔与内腔构成的 复合腔的模谱
根据光栅反馈的不同构型又可分为Littrow和Littman两种方式：
Littman方式中，经光栅衍射 在Littrow方式中，经 光栅衍射后产生的一级衍 射光直接沿入射光路反馈 回激光器，零级光作为输 出光。 后产生的一级衍射光先投射到一 个反射镜上，由反射镜原路反射 回光栅，产生第二次衍射使一级 衍射光反馈回激光器。
(k 0,1,2.....)
k 不同，按波长分开形成 入射光为白光时， 不同， 光谱.
I
sin
0
一级光谱
三级光谱 二级光谱
光栅单色器的工作原理
单缝
输出平行光
0级光无色散，探测不同波长的强度，主要利用一级光
6 条纹的重叠 在衍射光谱中，级数较高的谱线会发生重叠。
当波长1的第k1级谱线与波长2的第k2级谱线 重叠时，它们有相同的衍射角
光栅的分光作用
光栅的分光作用光栅是一种常见的光学元件，它具有分光作用，能够将入射光按照一定规律分解成不同波长的光束。
光栅的分光作用在科学研究、光学仪器和光谱分析等领域有着重要的应用。
光栅的分光作用是基于光的干涉原理实现的。
光栅由平行的凹槽组成，凹槽的间距相等，称为光栅常数。
当入射平行光经过光栅时，会发生衍射现象。
根据光的干涉衍射理论，入射光在光栅上的每个凹槽处都会发生干涉，形成一系列衍射光束。
这些衍射光束会互相干涉，最终形成一组具有规律的光谱。
光栅的分光作用主要表现在两个方面：色散和光谱展宽。
色散是指入射光中不同波长的光在经过光栅后会分散成不同角度的光束。
这是因为不同波长的光在光栅上的衍射程度不同，从而使得不同波长的光束出射角度不同。
这种色散现象使得光栅可以用于分离和测量光谱。
光谱展宽是指光栅能够将入射光的光谱展宽，使得原本单色光变成一连串具有连续波长范围的光束。
这是因为光栅上的凹槽数量很多，可以同时发生多个衍射现象，从而形成连续的光谱。
光谱展宽使得光栅在光谱分析中具有重要的应用，可以用于测量光源的波长分布和光谱强度。
光栅的分光作用与其结构参数有关，主要包括光栅常数和光栅的衍射级数。
光栅常数是指光栅上相邻两个凹槽之间的距离，它决定了入射光的衍射角度。
光栅的衍射级数是指入射光经过光栅后的衍射光束的级数，它决定了光栅的分辨能力和光谱展宽程度。
一般来说，光栅常数越小，衍射级数越高，分辨率和光谱展宽能力越好。
除了以上基本的分光作用，光栅还可以通过调节入射角度和光栅常数来实现其他分光效果。
例如，当入射角度接近入射光的倒数时，光栅的分光作用可以实现光的反射，形成反射光栅。
反射光栅可以用于光谱仪、激光器和光纤通信等领域。
光栅还可以通过改变光栅的形状和材料来实现特殊的分光效果。
例如，光栅的凹槽可以采用非常规形状，如圆弧形、V形等，以实现特定波长的光的分离。
光栅的材料也可以选择具有特殊光学性质的材料，如光纤光栅、光子晶体光栅等，以实现更加复杂的分光效果。
闪耀光栅原理
闪耀光栅原理闪耀光栅原理介绍闪耀光栅原理起源于20世纪20年代，它是一种用于测量物体空间尺寸和表面结构的技术。
它使用光学装置，即激光，以垂直一致的频率发射激光束，可以探测物体的空间尺寸（如长、宽、厚）和表面形貌（如材料、表面状）。
闪耀光栅原理作为一种测量物体特征的技术，可以用于产品的非接触式检测，通常可以在不与物体接触的情况下获得准确而便捷的测量。
它可以与数字图像处理（DIP）关联，实现对目标物体形状和尺寸等重要特征进行检测和测量。
闪耀光栅技术原理如下：1、将激光转换：将激光转换为一个特定频率的线条，作为一条光线贯穿于物体表面；2、激光的散射：物体表面发生散射，产生随机发射的光线；3、计算距离：根据光线的反射差和激光源和物体之间的距离及其他信息，计算从照射点到表面穿过的距离。
以上原理决定了闪耀光栅具有以下优势：1、高精度：可以提供精细的表面状态；2、自动测量：准确而快速自动化；3、结构简单：组装安装简单，可以节约成本；4、低项目拥有成本：操作准确、维护简单，低拥有成本；5、方便的移动：安装容易，可以灵活移动；6、测量物体大小：可以测量物体尺寸。
闪耀光栅应用闪耀光栅原理在位相测量、重复精度测试、表面粗糙度测量等测量工作中得到了广泛应用。
它可用于测量物体、零件、表面和物理性能的大小及构形，如机械零件、工程塑料、冶金表面诊断、汽车车身板材表面处理和冲压厂、印钞厂、玻璃行业等。
借助数字闪耀光栅，我们可以做到：1、表面变形量的测量：它可以应用于几乎任何表面材料，无需改变表面结构，就能准确测量表面变形量；2、表面特征测量：它可以检测到外部并非对称的物体表面，如油污、污垢、凹坑、砂磨痕等；3、精确测量：根据需求可以获得表面高度精度的测量；4、实时显示：将结果通过数据采集系统和软件测试，并实时显示处理后的数据，可实现测量空间大小的实时反馈；5、即时反映表面演变：由瞬间的激光反射，对物体表面的变化迅速反映出来；6、表面定位：可根据物体表面反射照射点和背景影像的混合，定位物体的位置和表面形状；7、表面质量检测：可以通过测量物体表面色泽、漆层厚度、表面粗糙度等特征，来检测其表面质量。
闪耀光栅报告
4、显示技术
闪耀光栅不仅具有很高的分色能力, 而且还具有将零级次衍 射光的绝大部分能量转移到所需级次上的能力, 衍射效率可达到 100%.设计适当的闪耀角, 能使复合白色光产生的RGB三基色光处 于最高衍射效率范围内.用闪耀光栅作为显示画面的光调制器, 能最大限度地提高光源的利用率。
闪耀光栅的光强分析
Байду номын сангаас
光强分布：（平面波入射）
2
sin sin N I I0 sin
其中：
2
a[sin sin( )]
表示槽面两端光线光程差的一半
kd (sin i sin ) / 2 d (sin i sin )
多波长复合光信号聚焦在微闪耀光栅上, 光栅对不同波长的光 衍射角不一样, 于是可以把复合信号在空间上分离为不同波长的分 量。
闪耀光栅的应用现状 3、精密测量
光栅作为精密测量的一种工具, 由于它本身具有的优点, 已 在精密仪器、坐标测量、精确定位等多个领域得到了广泛的应用. 闪耀光栅可用于位移测量、转角测量、光学三维测量、温度测量 等。
闪耀光栅的工作原理
一般情形下的闪耀波长
i
代入原始光栅方程：
sin i sin(i 2 ) kB / d
得到闪耀波长：
B 2d sin cos(i ) / k
当k=1 时，产生1级闪耀波长，并且1级闪耀波长的其他级次（包括零级） 的光谱都几乎和单槽面衍射极小位置重合，致使这些级次上的光强度被调制 的很小，绝大部分的光能转移并集中到一级光谱上。
分析基础
干涉
光栅 光谱
衍射
光谱级次高，分辨本 领、色散本领大
闪耀光栅的应用
闪耀光栅的应用一． 闪耀光栅的基本原理：锯齿形槽面与光栅平面的夹角为θ0（闪耀角），锯齿形槽宽d （即刻槽周期）。
对于入射角为ϕ的平行光束A 来说，单槽衍射的中央主极大方向为槽面的反射方向B 。
其干涉主极大方向由光栅方程给出：根据几何关系，有： α、β是槽面的入射角与反射角，α=β 。
若B 方向就是第m 级干涉主极大方向。
则：因而有： 这就是单槽衍射中央主极大方向同时又是第m 级干涉主极大方向所应满足的关系式。
若m 、λ、d 和入射角ϕ已知，即可确定角度θ0. 若入射光沿槽面法线方向入射，则光栅方程简化为：此为主闪耀条件，波长λM 称为该光栅的闪耀波长，m 是相应的闪耀级次，此时的闪耀方向即为光栅的闪耀角θ0的方向。
(sin sin ) 2sin cos 22d m d m θϕθϕθϕλλ+-+==即：00αθϕβθθ=-=-000 2 -=2θϕθθϕθθθϕα-=-+= 或：和02sin cos d m θαλ=02sin Md m θλ=二．闪耀光栅的应用：１.光栅单色仪精密光栅单色仪是扫描式发射光谱仪器的关键光学部件,同时也是一种光电一体化的分光仪器. 光栅单色仪利用闪耀光栅作为分光元件,将入射的复色光分解为分布于全波段的可供任意选择的光谱宽度很窄的单色光. 其突出的优点是波段的范围宽广,在全波段色散均匀,单色光的波长可以达到非常准确的程度.光栅单色仪的用途主要有两方面:一是从复色光源中提取单色光,二是测量复色光源的光谱. 单色仪的研究目的包括物质的辐射特性,光与物质的相互作用,物质的结构(原子、分子能级结构) ,遥远星体的温度、质量、运动速度和方向.它的应用范围非常广,可以用于采矿、冶金、石油、机器制造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空间物理(卫星观测)等等.单色仪由光源和照明系统、分光系统和接收系统三部分组成,如图由光源发出的复合光通过入射狭缝S1 照射到准直镜M1后,变成平行光束,再投射到光栅G上. 由光栅G色散后,经聚焦镜M2 成像在出射狭缝S2处. 当精密机械传动系统按一定方向转动光栅时,就可以在S2 处得到不同波长的单色光束. 光被光电倍增管接收,得到光强度信号。
光栅的基本工作原理
光栅的基本工作原理光栅是一种能够分离出不同波长的光的装置，可以将光按照波长进行分散，通常用于光谱学、物理学、化学等领域的实验和应用中。
本文将介绍光栅的基本工作原理。
1. 光栅的定义光栅是由许多平行于同一平面的有刻槽的平行板组成的光学元件，这些刻槽间距相等，能够对光进行分光作用。
不同波长的光通过光栅后，会发生光的多次像衍射，从而呈现出一系列互相平行而且互相间距相等的谱线。
2. 光栅的工作原理光栅的刻槽可以将光分离出不同波长，其原理是基于光的衍射。
当光射入光栅时，光波振幅对于光栅每个刻槽之间的间距不同，经过多次的反射、衍射和干涉后，最终呈现出一系列平行的光谱线。
这些光谱线的亮度和位置是由波长和光栅特性决定的。
光栅的分辨率和它的刻槽宽度、刻槽间距密切相关。
刻槽宽度越小，或者刻槽间距越大，光栅的分辨率就越高。
3. 光栅的分类根据光栅的特性和用途，光栅可以分为以下几类：3.1 反射光栅反射光栅是最常见的光学光栅。
光线射入光栅后，在平行和垂直于光栅平面的方向上都会经历反射。
反射光栅通常应用于光谱仪、显微镜和光学测量等领域。
3.2 折射光栅折射光栅又称为透射光栅，是将光线折射而非反射来分光的光栅。
折射光栅相对于反射光栅有着更广泛的适用范围，主要应用于太阳能电池、激光系统和分子光谱学等领域。
3.3 衍射光栅衍射光栅是一种与折射和反射光栅不同的光栅类型。
光通过衍射光栅后，会形成非连续性的光谱图案。
衍射光栅适用于消费电子、安防和生物医学等领域中的光学测量和分析。
4. 总结光栅是一种能够分离出不同波长光的装置，其基本工作原理是基于光的衍射。
光栅的分辨率和其刻槽宽度、刻槽间距有关。
根据光栅的特性和用途，光栅可以分为反射光栅、折射光栅和衍射光栅。
光栅在光谱学、物理学、化学等领域的应用非常广泛，它为科学研究和实验提供了一个非常重要的工具。
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光栅单槽面衍射0级主极强正好落在kb光波的K级谱线上
作业：3-27，3-28，3-30，3-31，3-32
16
2
二、色分辨本领
色散本领只是反映光谱仪将两相近谱线的中心分离程度 但位置拉开并不等于可以分辨
能否分辨此两谱线还取决于每一谱线本身的宽度 光谱仪对波长附近的谱线能够分辨的最小波长差为， 波长与之比，定义为：色分辨本领
R
3
瑞利判据
不可分辨 刚可分辨
两亮纹中心的距离恰等于每一亮纹的半值宽度 刚可以分辨
光栅光谱仪
光谱仪性能的主要标志
一、色散本领 二、色分辨本领
光栅（衍射）光谱仪
F-P（干涉）光谱仪
一、色散本领
对于一定波长差 的两谱线，在位置上分开的能力 （角间隔或在屏上的距离l有多大）
角色散本领
D
线色散本领
l Dl
Dl fD
f —（光栅、F-P）后的透镜焦距
光栅的角色散本领
D
光栅的线色散本领
k D d cos k
l Dl
kf Dl fD Dl d cos k
d，k，f
与光栅中衍射单元的总数N无关
8
3. 光栅的色分辨本领
的k级主极大 +的k级主极大
sin
k sin d
瑞利判据
重合（方向完全一致）
sin k
d
,k 0
11
将大部分光能（单缝衍射的零级（几何像））集中到 所需光谱级（缝间干涉的非零级）上 1、沿槽面法线n 两种工作方式 （光入射方式）： 2、沿光栅平面法线N b d a b d a
闪耀光栅
n N d sin b d sin k
5
光栅光谱有许多级, 每一级是一套光谱 sin
k , k 0,1, 2, d
6
2. 光栅的色散本领
sin k k
d
k 表示波长k级中心的角位置
k
d
sin( k )
( k + )表示( )波长k级中心的角位置 sin( k ) sin k (sin k ) cos k k d 两波长（， ）k级两条纹中心的角间距 k d cos k 7
4
光栅（衍射）光谱仪
1、光栅的分光原理
光栅方程
正入射
d sin k ，k 0,1, 2,
sin k
d
, k 0,1, 2,
表示第k级谱 线的角位置
0级没有色散
k 一定时, , 不同颜色的主极大位置不同,形成光谱。
各种波长的同级谱线（主极强）集合起来构成光源的一套光谱
能够分辨两谱线的最小角间隔 即为某级谱线（主极大）半角宽度k
k Nd cos k
9
光栅的色散本领
瑞利判据
k
N d cos k
k = D d cos k
光栅的色分辨本领
kN
R kN
光栅的色分辨本领正比于衍射单元总数 N 和光谱的 级数k，与光栅常数d无关
d sin 2 b k kb
可通过闪耀角的设计 b，使光栅适用于某一波长段 的某级光谱上
14
沿槽面法线n
b d a 单槽面衍射的0级是几何光学 的反射方向,沿原方向返回 槽面间干涉决定色散主极强： 相邻槽面间的光程差
L d (sin sinb )
n N 满足
2 d sin b k kb
n
d sin k
N
12
各槽面的反射率是相同的,相位光栅
b d a
Hale Waihona Puke 单槽面衍射的0级是几何光学 的反射方向,沿2b方向反射 光栅方程
d sin k
相邻槽面间的光程差 n N 满足
L d sin
d sin 2 b k kb
其他各干涉级缺级？ ad
kb光谱的其它级都几乎落在单槽衍射的暗线位置形成缺级 80-90%的光能kb光的k级谱线上
闪耀光栅
普通光栅衍射（透射光栅）光谱仪缺点：
很大一部分能量集中在无色散0级主极强
单缝衍射因子的零级 主极强(调制强度） 缝间干涉因子的零级 主极强
sin asin
sin N sin
2
2
sin 0
d sin