光栅衍射测光的波长调整和应用探讨

光栅衍射测光的波长调整和应用探讨

作者：冯兵安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011

指导教师：朱德权

摘要：衍射光栅作为一种重要的分光元件, 经过几百年的发展,已经形成了很多种类,除了广泛应用于

摄谱仪进行光谱分析之外, 新型的光栅已大量用于激光器、集成光路、光通信、光学互连、光计算、

光学信息处理和光学精密测量控制等各个方面。综述了光栅的研究历史和现状, 介绍了光栅的主要性

质和应用,并根据光栅的特点对光栅进行了分类.本文提出了使用光栅衍射测量光波波长和方向的方法，

主要由光栅，分光计组成.实验结果表明：测得的波长偏差较小，入射方向的误差较小.

关键词：光波波长，光栅衍射，分光计，入射角光栅应用

引言：光栅作为一种优良的分光元件, 在近代光谱仪中有广泛的应用, 比如利用光栅衍射进行光谱分析,

测量光波波长等.在大学物理实验中, 研究光栅测量光波波长, 都是基于入射光垂直于光栅平面入射的

情况下进行的测量.如何在任意未知入射角情况下, 利用光栅测量光波波长.本文就这一情况进行分析

和研究.

一.光栅简介

1 光栅发展历史

最早的衍射光栅是绕线光栅, 1786年美国科学家 Ritenhouse在费城用平行的 50至 60根细金属

丝制成的宽 12 . 7 mm的衍射光栅. 1821年,夫琅和费为了观测太阳光谱, 用铁丝制成了衍射光栅, 两

年后,他又在平面玻璃上敷以金箔,再在金箔上刻槽做成了具有较大色散的反射衍射光栅. 1870年, 卢

瑟福在 50 mm宽的反射镜上用金刚石刻刀刻划了3500条槽, 这是世界上第一块分辩率与棱镜相当的光

栅, 具有重大的意义[ 3 ]

19世纪 80年代, Ro w land发明衍射光栅刻划机和凹面光栅分光装置, 光栅分光仪器就成为光谱

分析领域的主角. 后来, Anderson和 Wood研究了光栅槽形对光强分布的影响, 提出了光栅的闪耀理论,

闪耀使光栅的衍射效率得到大大的提高, 大部分光能量可集中在预定的衍射级次上。1948年, Gabor

提出了全息光学原理,激光器发明以后,出现了专门用于记录激光器干涉条纹的技术,导致全息光栅的出

现,它主要用作色散元件,对激光输出光谱进行选择和调谐.随着硅微加工技术的迅速发展,而光栅在微

观上的周期性,硅作为晶体材料结构上的特殊性及其加工工艺的兼容性,使人们开始尝试在硅基材料上

制作光栅. 1975年 W. Tang和 S . W ang首次在论文中报道了利用硅加工技术制作光栅,从此硅光栅

被应用在许多不同的领域.随着微细加工工艺的发展和二元光学应用领域的拓展,周期性二元光学元件

光栅的特征尺寸不断缩小,其结构也变得越来越复杂,从单周期光栅到双周期交叉光栅,从介质光栅到金

属光栅,从单层光栅到多层光栅,光学元件越来越小型化、高效化、阵列化.

2 光栅分类

光栅经过几百年的发展, 己形成了很多种类,分类准则也有很多.我们将根据光栅的特点对光栅进

行分类,并对光栅的应用进行简单的介绍.有些光栅可能属于几个种类,我们只在一个种类中介绍.

( 1)按材料分, 有硅光栅、金属光栅、聚合物光栅、光折变光栅、光致热折变玻璃光栅等;硅在近红外波段范围内具有非常好的光学特性(高折射率和低损耗) ,是制作近红外光栅的极好的材料, 又由于使用微机械加工技术,可以直接在硅材料表面制作光栅.在硅基材料上制作的光栅还可以用作集成光学的波导和光纤的耦合器. 阵列波导光栅也称作相位阵列, 它由一定数量的输入 /输出信道波导、阵列波导和两块平板波导组成,集成在同一块

硅基底上(有的是在石英片上) .信道波导和阵列波导通过平板波导相连,阵列波导中相邻阵列波导的长度差保持为常数,可以起到光栅的作用,可以完成不同波长光的复用和解复用功能. AWG具有价格便宜、适合批量生产、工艺简单、材料折射率调整容易、损耗低、热稳定性高、透明性好以及偏振不灵敏(即无需色散补偿)等优点.关于 AWG 的研究,近年来取得了很大的进展.

在金属光栅上制作的亚波长狭缝光栅具有异常的透射光增强效应. 由于这种增强效应突破了经典

孔径理论的极限,在光子学、光电子学等领域具有巨大的应用潜力.目前用于全息记录的材料种类繁多,

有:卤化银乳胶、重铬酸明胶、光致抗蚀剂、光导热塑、光致变色材料、光致聚合物、光折变晶

体、小杆细菌视紫红质等.

由于银盐干板光栅衍射效率低, 重铬酸盐明胶光栅不容易保存,因此都不适合做全息光栅。光致抗

蚀剂能形成浮雕型相位全息图,光导热塑可擦除后重复使用.

细菌视紫红质是一种具有光驱动质子泵功能的跨膜蛋白, 具有较强的光敏感性在光致色变、瞬态

光电响应和非线性光学等性能上都具有良好的应用前景.光折变晶体是指在光辐射作用下通过光生载流

子的空间分布使折射率发生变化的晶体,光折变晶体是一种可重复使用的实时记录材料.

光致热折变玻璃光栅(又叫光敏玻璃)是一种新型的光栅,能承受高能激光的辐照,其内部的体布拉

格光栅, 使它们成为高能激光光谱叠加的理想器件.此外还有用于立体印刷的膜材光栅, 主要有聚对苯

二甲酸已二醇酯 ( PET)、聚丙烯 ( PP)、聚氯乙烯( PVC )三种.

( 2)按作用器件分, 有光纤光栅、超声光栅、液晶光栅等;所谓光纤光栅是指通过一定方法 (光

敏性、弹光效应)使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅,是一种无源滤波器件.

其作用实质上是在纤芯内形成一个滤波器或反射镜. 光纤光栅自 1989年问世以来已成为一种重要的

光无源器件,在光纤通信和光纤传感得到了广泛的应用.

根据光纤周期的不同, 光纤光栅可以分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅,还有光学周期随着光

栅长度发生变化的啁啾光纤光栅. 可用做传感器、滤波器、光分插复用器、色散补偿器等.由超声波

在介质中形成驻波,使介质产生弹性形变,引起介质的密度呈疏密相间的交替分布,导致介质的折射率也

作相应的周期性变化,如同一个正弦相位光栅, 称为超声光栅.而声光晶体等价于一个相位光栅.液晶光

栅是利用液晶的电光性质来设计的一种光栅. 液晶光开关、光偏转器、光扫描器已经开始应用于光纤

通信实验系统中,其唯一重大缺陷是响应速度目前只能达到微秒级或亚微秒级.

( 3)按使用衍射光的方向分, 有透射光栅和反射光栅等;光栅是衍射光栅的简称,光栅是能等宽等

间隔地分割入射波前的、具有空间周期性结构的光学元件, 是一种重要的分光元件.衍射光栅分为透射

光栅和反射光栅两类,反射光栅又分阶梯光栅和闪耀光栅,透射光栅按透射率函数的不同可分为普通的

矩形透射率光栅(黑白光栅)和正弦光栅两种.天文中仪器中测光谱用的多是反射光栅﹐它的基底是低膨

胀系数的玻璃或熔石英﹐上面镀铝﹐然后把平行线刻在铝膜上.

透射光栅是在一块透明基体(如玻璃、聚酯片基等)上刻一系列平行的和紧紧相靠的凹槽, 未刻部

分能透光,刻划部分因漫反射而不透光,这等效于大量等宽等间距的平行狭缝称为矩形透射率光栅(黑白

光栅) .如用全息曝光法则可制做正弦透射率光栅.

透射光栅和反射光栅常作为色散元件来分离不同波长的谱线,主要用在光谱仪上,利用穿透吸收光

谱、荧光光谱或拉曼光谱来分析物质组成.

( 4)按面形分,有平面光栅、凹面光栅、凸光栅、柱镜光栅等;

凹面光栅有色散和成像功能,用于真空紫外摄谱仪、直读光谱仪.普通的凹面光栅仅靠面形就能达

到很好的消像差效果, 如果改变光栅刻槽(间距、曲率)和基底面形, 则还可提高光栅的分辨力.