光栅的制作方法

光栅的制作方法

一般说来，任何一种具有空间周期性的衍屏的光学元件都可以称为光栅，如果在一块镀铝的光学玻璃毛胚上刻划一系列等宽，等距而平行的狭缝就是透射光栅。如在一块镀铝的光学玻璃毛胚上刻出一系列剖面结构象锯齿形状，等距而平行的刻线这就是一块反射光栅。

现代光栅是一系列刻划在铝膜上的平行性很好的划痕的总和，为了加强铝膜与玻璃板的结构的结合力，在它们之间镀一层铬膜或钛膜。在光学光谱区采用光栅刻划密度为0. 5—2400条／毫米。目前大量采用的600条／毫米，1200条／毫米，2400条／毫米。

为了保持划痕间距d无变化，因此对衍射光栅的刻划条件要求很严。经验证明，对光栅刻划室的温度要求保持0．01—0．0313变化范围，光栅刻划机工作台的水平振动不超过1—3微米，光栅刻划室应该清洁，要避免通风带来的灰尘，光栅刻划室的相对湿度不应超过60—70％。光栅毛胚大多应有学玻璃和熔融石英研磨制成，毛胚应该加工得很好，其表面形状和局部误差要求甚严。任何表面误差将使衍射光束的波前发生变形，从而影响成象质量和强度分布。为了提高真空紫外区反射率，铝膜上还镀上一层氟化镁。

制造光栅的方法有机械刻划，光电刻划，复制方法和全息照相刻划四种。机械刻划是古老方法，但可靠，间隙刻划技术比较成熟。但要刻划一块100X100mm 的光栅(刻划机的刻划速度为15—25条／分)计算须要4个昼夜。因此要求机器、环境在长时间内保持精确恒定不变。

光电刻划就是利用光电控制的方法可以在某种程度上排除光栅刻划过程中机械变动和环境条件改变所产生的各种刻划误差。它一方面提高了光栅刻划质量，另方面也能在一定程度上简化机械结构、降低个别零件的精度和对周围环境的要求。光栅复制光栅刻划时间长和效率低，因此成本很高，不能满足光谱仪器的需求。目前复制法有二种：一次复制法就是真空镀膜法。二次复制法是明胶复制法。一次复制法是一次制成，而二次复制法是先复制母光栅的划痕，然后用该划痕印划在毛胚的明胶上。二次复制的工艺比较烦琐，但需要设备和条件都比较简单，明胶法复制光栅质量是比母光栅差些。

还有刻制光栅的方法叫全息照相刻划法，其原理如下：二束相干光重叠会产生干涉条纹，其间距为。D=λ/2sinα其中入为光束波长，α为两束光干涉前的夹角。如图示激光的射出的相干光束，通过发散物镜O和针孔S，再经抛物镜P反射后落人两块平面反射镜P1和P2。由于平面镜P1和P2的反射使已分离的两束光成交于E面，其交角为2α。这两束光是相干的所以在正面产生干涉条纹，条纹的间距d。若在面上放置一块予先涂上抗光蚀层的毛胚，则在蚀层获得干涉条纹的空间潜象，经显影后则在毛胚上获得干涉条纹的立体象(全息象)，这就是透射衍射光栅。镀反射膜后可成为反射式衍射光栅。光栅的质量与膜层厚度同光

栅常数之比例有关，与光栅毛胚的法线和两相干光束干涉前夹角的等分线是否一致有关，并与显影和曝光时间有关。

全息照相刻制具有以下优点①改变激光器的波长，可以制造整个光谱区所需要的光栅。②全息照相刻划原则上无尺寸限制可制大光栅。③可制造平面和凹面光栅。④生产效率高、成本低，促使全息照相刻划光栅获得迅速的发展。

全息光栅

1、把全部器件按顺序摆放在平台上，点燃激光器，调节激光器输出的光束与平台面平行，并调节各光学元件表面与激光束的主光线垂直。

2、调节分出的两光束，使其到达P(此时的P可用白屏代替)时的光程差相等.

3、根据光栅常数求出θ角的大小。

4、根据所求出的θ角，调节好θ角的大小。、

5、用全息干板替换白屏，干板安装在干板架上被夹持应稳固不摇晃；稳定1分钟后对全息干版曝光2—3秒钟，曝光过程中应保证全息防震台稳定，室内空气平稳，无大的气流运动；干板应严格避光操作，待定影结束后才可见光。

6、全息干板的处理

对曝光后的干板进行化学处理，应严格按常规的暗室操作规则进行，具体处理步骤如下：

（1）、在D--19 显影液中显影，温度200C，时间2分钟左右；

（2）、清水中轻涮一遍；

（3）、用 F--5 定影液定影，时间5-10分钟；

（4）、流水冲洗20分钟以上；

（5）、自然晾干或吹干；

（6）、为了提高全息光栅的衍射效率，后处理过程可增加“漂白”过程，使全息光栅由振幅型转化为位相型，此过程可在4、5两步之间进行。漂白液为铁氰化钾溶液。

7、观察全息光栅的花样：用激光细束直接照射到所拍的全息光栅上，在光栅后面的白屏上观察到奇数个亮点。中间是0级，对称分布在0级两侧的分别是±1级、±2级、……。当用白光作为光源来照射全息光栅时，光栅能按波长大小把光分开，波长短的光衍射角小，如让光栅的衍射光通过透镜，在透镜的后焦面上可得到按波长大小排列的单色线条，这就是光栅光谱。

光纤光栅

光纤光栅制作方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步骤：

步骤１：按照下述设定参数设计一个具有下述反射特性和群时延特性的取样光栅：反射率曲线：Ｒ（λ）＝ｅ／＊ｅｘｐ［－（λ－λ↓［０］／Ｂ／２）↑［２ｍ］］，群时延曲线：τ（λ）＝ａ（λ－λ↓［０］）↑［２］＋

ｂ（λ－λ↓［０］）＋ｃ，其中：Ｒ（λ）为光栅的反射率，

λ为光波波长，

λ↓［０］为中心波长，

设λ↓［０］＝１５５３．５ｎｍ，Ｂ为该光栅反射谱的３ｄＢ带宽，设Ｂ＝２ｎｍ，τ（λ）为该光栅的群时延，ａ，ｂ，ｃ为设计调谐参数，

设ａ＝－１００ｐｓ／ｎｍ↑［２］，ｂ＝－３００ｐｓ／ｎｍ，ｃ＝９００ｐｓ，ｍ＝４；

步骤２：根据步骤１的设计参数，按以下设定参数，用计算机计算该取样光纤光栅的折射率调制函数△ｎ（ｚ）：

△ｎ（ｚ）＝Ａｃ（ｚ）ｅｘｐ（－ｊ２πｚ／Λ↓［０］），

其中，ｚ为该取样光栅沿轴向的坐标，

Λ↓［０］为该取样光栅的折射率调制周期：

Λ↓［０］＝λ↓［０］／２ｎ，

ｎ为该取样光纤光栅的平均折射率，

函数Ａｃ（ｚ）为该取样光栅的交流折射率调制函数，由计算机按以下公式计算得出：

Ａｃ（ｚ）＝ｊ２ｎΛ↓［０］／π∫↓［０］↑［ｌ］Ｒ（λ）ｅｘｐ［－ｊθ］·ｅｘｐ［ｊ２σｚ］ｄσ，其中，θ＝∫↓［０］↑［λ］２π／λ↓［０］↑［２］τ（λ′）ｄλ′，０≤λ′≤λ，＝２ｎπ／λ－π／Λ↓［０］，

ｌ为该取样光栅的长度，

函数Ａｃ（ｚ）的复指数形式为：

Ａｃ（ｚ）＝Ａ（ｚ）ｅｘｐ［ｊυ（ｚ）］；

步骤３：利用步骤２得到的折射率调制函数，按下式确定各取样点的位置ｚ［ｋ］：ｚ↓［ｋ］／Ｐ－υ（ｚ↓［ｋ］）／２π＝ｋ，

其中，Ｐ为采样参数，取Ｐ＝０．１２ｍｍ；

ｋ表示该取样光栅的第ｋ个取样点，ｋ＝１，２，３，…；

再按下式计算出各取样点的曝光时间Ｔ↓［ｋ］：

Ｔ↓［ｋ］＝Ｔ↓［ｍａｘ］·Ａ（ｚ↓［ｋ］）／ｍａｘ｛Ａ（ｚ↓［ｋ］）｝其中，Ｔ↓［ｍ

ａｘ］为取样点的最大曝光时间，取Ｔ↓［ｍａｘ］＝１００秒；ｍ

ａｘ｛Ａ（ｚ↓［ｋ］）｝表示所有取样点ｚ↓［ｋ］的折射率调制幅

值Ａ（ｚ↓［ｋ］）中的的最大值；

步骤４：按以下步骤，制作所述４０Ｇｂ／ｓ光通信系统用的非线性啁啾光纤光栅：

步骤４．１：把普通光纤进行载氢处理并剥去一段涂覆层；

步骤４．２：把步骤４．１中得到的光纤固定在均匀模板后，使之贴近；

步骤４．３：调整激光器输出为５０ｍＷ的光功率；

步骤４．４：调整光路，使经扫描反射镜反射的光斑照射在光纤纤芯上；